指令系统

一.指令系统概述

程序，指令和指令系统的概念

• 程序：程序是由一系列有时间顺序，有逻辑关系的指令构成的。
• 指令：指令是控制计算机硬件完成指定的基本操作的命令（如加减，传送等），指令是用户使用计算机和计算机本身运行的最小功能单位。
• 指令系统（指令集）：能被一台计算机执行的全部指令的集合称为该机的指令系统，也称为指令集。

指令系统的评价

（1）完备性：常用指令齐全，编程方便
（2）高效性：程序占主存空间少，运行速度快
（3）规整性：指令和数据使用规则统一简单
（4）兼容性：同一系列的低档计算机的程序能在高档计算机上直接运行，即向后兼容

二.指令系统的结构层

指令系统的结构层定主要定义了计算机的存储模式，寄存器组织，数据类型，I/O模式，指令类型等信息。

1.存储模式

存储模式的定义包括存储器结构，特殊存储区（堆栈等），数据存储顺序，边界对齐等的确定。

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数据存储顺序

• 大端存储：大端存储是指将数据的最低有效位存储在相应的高地址单元中，将最高字节的地址作为字地址。
• 小端存储：小端存储是指将数据的最低有效位存储在相应的低地址单元中，将最低字节的地址作为字地址。

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边界对齐

所谓边界对其，是指数据存储在地址为2的整数倍（16位字长），4的整数倍（32位字长），或8的整数倍（64位字长）起始的连续存储单元中。当所存数据不能满足此对齐限制要求时，可填充一个或多个空白字节。

在数据未对齐的计算机中，数据的存储将跨两个边界对齐的存储单元，此时读/写一个完整数据需要访问两次存储器（花费两个总线周期）。所以为了简化硬件实现，缩短存储器访问时间，通常选择多字节的数据在主存中存放时满足边界对齐的要求。

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堆栈（stack）

计算机主存中堆栈的概念有别于数据结构中堆栈的概念，数据结构中堆和栈是两种不同的数据结构，而计算机主存中所说的堆栈是指类似于数据结构中栈的结构，即后进先出，先进后出的顺序存储结构。

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冯·诺伊曼结构和哈佛结构

• 冯诺依曼结构规定指令和数据均用二进制表示，并以同等地位混合存放在主存中。其优点是指令和数据可以共享并充分利用主存资源；缺点是不正确的数据可能会对指令造成破坏，导致程序运行异常。
• 哈佛结构将主存分为指令存储器和数据存储器两个实体，所有程序必须存放在指令存储器的地址空间中，而数据必须存储在数据存储器的地址空间中，其结构与优点如下图：
  

缺点是指令存储器和数据存储器可能得不到充分利用。

2.寄存器组织（略）

3.数据类型（略）

4.指令类型（略）

5.I/O模式（略）

三.指令设计

1.定长操作码的编码方式

对所有指令均使用相同位数的二进制数进行编码，例如某计算机的指令系统需要N条指令，若所采用定长编码的方式，所有指令都用n位二进制数进行编码，则应满足关系：$N\le 2^n$

2.变长操作码的编码方式

对于不同类型的指令操作码用不固定长度的二进制数进行编码

(1)霍夫曼编码

霍夫曼编码算法的内容在数据结构中有详细学习，这里只简单举例介绍：

编码思想：使用频率较高的指令采用较短的位数进行编码，使用频率较低的指令采用较长的位数进行编码，并且较短的指令不能是较长指令的前缀。

特点：霍夫曼编码的结果不是唯一的，但是其平均码长是唯一且在所有编码方式中最优。

缺点：编码长度种类太多，硬件控制器译码电路设计复杂

(2)基于特定规则扩展操作码

如图所示，假如对出现概率较大的指令采用3位二进制编码，对出现概率较小的指令采用5位二进制编码，则编码结果和平均码长如下：

(3)依据地址码数量扩展操作码

对于指令字长度固定的指令系统，为了充分利用指令的二进制位，操作码长度一般随地址码数量多少而变化。

四.寻址方式

五.综合例题解析：