【计算机组成原理】指令系统（一）—— 指令格式

一、指令的定义

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。

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。

注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。 Eg：x86 架构、ARM架构。

几种字长的总结

• 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直接相关）。
• 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）。

半字长指令、单字长指令、双字长指令 —— 指令长度是机器字长的多少倍。

指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长 = 存储字长=16bit，则取一条双字长指令需要两次访存。

二、指令格式与分类

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分。

• 根据地址码数目不同，可以将指令分为 零地址指令、一地址指令、二地址指令。
• 根据指令长度分类可以分为 定长操作码和可变长操作码

（一）、指令-按地址码数目分类

1. 零地址指令

1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令。
2. 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶。

堆栈计算机在数据结构的体现：“后缀表达式”。

2. 一地址指令

1. 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等

指令含义：OP($A_1$) → $A_1$ ，完成一条指令需要3次访存：取指 → 读$A_1$ → 写$A_1$

2. 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）

指令含义： (ACC)OP($A_1$) → ACC ， 完成一条指令需要2次访存：取指 → 读$A_1$

注：$A_1$指某个主存地址， ($A_1$)表示 $A_1$ 所指向的地址中的内容。

3. 二地址指令

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：($A_1$)OP($A_2$) → $A_1$

完成一条指令需要访存4次，取指 → 读$A_1$ → 读$A_2$ → 写$A_1$

4. 三地址指令

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：($A_1$)OP($A_2$) → $A_3$

完成一条指令需要访存4次，取指 → 读$A_1$ → 读$A_2$ → 写$A_3$

5. 四地址指令

指令含义：($A_1$)OP($A_2$) → $A_3$，$A_4$ = 下一条将要执行指令的地址；

完成一条指令需要访存4次，取指 → 读$A_1$ → 读$A_2$ → 写$A_3$

正常情况下：取指令之后 PC+1，指向下一条指令

四地址指令：执行指令后，将PC的值修改位 $A_4$所指地址

6. 指令-按地址码数目分类总结

（二）、指令-按指令长度分类

定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等
1
2

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同，控制器的译码电路设计简单。

可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
n 位 → $2^n$条指令，控制器的译码电路设计复杂， 但灵活性较高。

定长指令字结构 + 可变长操作码 → 扩展操作码指令格式

（三）、指令-按操作类型分类

（四）、指令格式与分类的总结

三、扩展操作码