4.1 指令系统：

指令：又称机器指令，是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。

指令集：一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统

指令系统（指令集）是指令集体系结构（ISA）中最核心的部分

4.1.1 指令的基本格式

操作码：指明做了什么动作
- 作用1：执行什么性质的操作，具有何种功能
- 作用2：识别指令、了解指令功能、区分操作数地址内容的组成和使用方法
- 举例：停机中断、求反求补、加减乘除
地址码：指明对谁动手脚
- 不需要操作对象
- 需要一个操作对象
- 需要两个操作对象
- 特性：
- - n位地址码的直接寻址范围=
  - 若指令总长度固定不变，则地址码数量越多，寻址能力越差
指令的长度：一条指令中所包含的二进制代码的位数
- 指令字长取决于：
- - 操作码的长度
  - 操作数地址码的长度
  - 操作数地址的个数
- 指令长度和机器字长无固定关系，但是可以进行分类：
- - 单字长指令：指令长度等于机器字长的指令
  - 半字长指令：指令长度等于半个机器字长的指令
  - 双字长指令：指令长度等于两个机器字长的指令
指令字长

一条指令的总长度（可能会变）

机器字长

CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU相关）

存储字长

一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）

整体框架

解释一下：

MAR：地址寄存器存放预访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数

MDR：数据寄存器存放从存储体某单元取出的代码

1. 零地址指令

只给出操作码OP，没有显式地址。有两种可能：

(1) 不需要操作数的指令，如空操作，停机，关中断等指令

(2) 零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，计算结果隐含的压回栈顶类似“后缀表达式”

2. 一地址指令

其中

ACC：Accumulator累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器

ALU：算数逻辑单元，可以进行算术运算（加减乘除）逻辑运算（与或非异或）辅助功能（移位求补）

对于寻址范围做出解释：

指令字长为32为，操作码占8位，1个地址码字段占24位，则指令操作数的直接寻址范围为bit

进行单位换算为* 位 = 16 M

3. 二地址指令

其中目的操作数保存本次的运算结果

对于寻址范围做出解释：

指令字长为32为，操作码占8位，两个地址码字段各占12位，则指令操作数的直接寻址范围为bit

进行单位换算为* 位 = 4 K

4. 三地址指令

5. 四地址指令

特殊点：

正常情况下取指令之后PC+1，指向下一条指令

四指令地址：取执行指令后，将PC的值修改为（下址）所指地址

4.1.2 定长操作码指令格式

定长操作码指令在指令的最高部分分配若干位（定长）表示操作码。

一般n位操作码字段的指令系统最大能表示条指令

4.1.3 扩展操作码指令格式

目的：

在指令字长有限的前提下保持比较丰富的指令种类，可采用可变长度操作码，即全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。

实现方式：

定长指令字结构+可变长操作码 -> 扩展操作码指令格式

扩展操作码 使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下有效缩短指令字长

4.1.4 指令分类（按操作类型分类）

1. 数据传送（数据传送类：进行主存和CPU之间的数据传送）

1. LOAD：从内存单元读取数据到CPU寄存器（LOAD）
2. STORE：把CPU寄存器写数据到内存单元（STORE）
3. MOV：传输指令通常由寄存器之间的传送（MOV）

2. 运算类

算数与逻辑运算：

ADD：加

SUB：减

CMP：比较

MUL：乘

DIV：除

INC：加1

DEC：减1

AND：与

OR：或

NOT：取反

XOR：异或

3. 移位操作

算数移位
逻辑移位
循环移位

4. 转移操作

JMP：无条件转移

BRANCH：条件转移

CALL：调用

RET：返回

TRAP：陷阱

区分：

无条件转移指令在任何情况下都执行转移操作
条件转移指令仅在特定条件满足时才执行转移操作，其中转移条件一般是某个标志位的值，或几个标志位的组合
执行调用指令是必须保存下一条指令的地址（返回地址），当子程序执行结束时，根据返回地址返回到主程序继续执行
转移指令则不返回执行

【计组学习笔记】第四章——指令系统