【计算机组成原理】指令系统（一）

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一、指令格式

指令：操作码字段   地址码字段

指令字（简称指令）：表示一条指令的机器字。

指令格式：是指令自用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。

操作码字段：表征指令的操作特性与功能   （指令的唯一标识） 不同的指令操作码不能相同

地址码字段：指定参与操作的操作数的地址码

二、操作码分类

操作码可以分为固定长度的代码和可变长度的代码

1、固定长度的代码

     多有指令操作码的长度相等

例如：某计算机共有64条指令，采用固定长度操作码，需要6位编码，从000000~111111  2的6次方为64

优点:编码方法简单，便于指令的译码

确定：不方便指令系统中增加新的指令（扩展不方便）

2、可变长度的代码

不等长的指令操作码可以减小操作码的平均长度，提高指令编码的效率，从指令的扩展性来看，也希望操作码长度可变。

    例如：设某台计算机有100条指令，要求：

1）采用固定长度操作码编码，请设计其操作码编码

2）假设这100条指令中有10条指令的使用改了达到90%。其余90条指令的使用概率达到10%，请采用不定长编码设计一种操作码编码的方案，并求出操作码的平均长度（常用指令用短编码  不常用指令用长编码）

答、1）采用固定长度操作码编码，需要7位操作码，取其中100个代码作为操作码 0000000~1100011之间的代码代表100条指令（长度为7）

其余的1100100~1111111共28个代码可用于增加新的操作码

2）采用不固定长度的操作码编码，可以用4位代码对10条指令进行编码，用8位代码对90条指令进行编码

0000~1001对应10条常用的指令，从未使用的1010~1111的代码后面扩展4位 

10100000~10101111     16个

10110000~10111111     16个

11000000~11001111     16个

11010000~11011111     16个

11100000~11101111     16个

11110000~11111001     10个

已上的1010 ，0000~1111,1001之间的90个代码表示其余90条指令

指令操作码的平均长度为：

4*90%+8*10%=4.4  小于等长编码的7位

剩余的编码11111010~1111111（6个）可用于操作码长度的进一步的扩展

例：设有一台简单计算机的指令系统共有10条指令，各指令的使用频率如下：

11  20%  12 12%   13  11%  14  15%  15  8%  16 3%  17   2%   18  18%  19  10%  110 1%

1）用霍夫曼编码设计这10条指令的操作码，并计算操作码的平均长度

2）设计只有2中长度，且平均长度不大于3.20位的等长扩展操作码，并计算操作码的平均长度

答：1）霍夫曼树为

霍夫曼编码结果如：（左支代表0  右支代表1  从最后边0.20开始霍夫曼编码如下）

11  011 010  001 101 100 0001 00001 000001 000000

平均长度：3.03 =2*0.2+3*-.18+3*0.15+….

2)一种设计方案是取3位和4位两种长度，如000 001  010 011 100 101  1100 1101 1110 1111

平均长度为3.14

3位可以表示8种编码，我们选取7个来表示三位编码，还剩4个需要扩展 也就是需要2位

另一种设计方案是选择3和5两种长度，如：000 001 010 011 100 101 110  11100 11101 11110 

平均长度为3.12

选取3位表示7个 然后固定前3位为111 扩展2位 2的2次方就是4>3 也满足

三、地址码

指令中指定操作数存储位置的字段称为地址码，地址码中可以包含存储器地址。也可包含寄存器编号。

指令中可以有一个、两个或者三个操作数，也可没有操作数，根据一条指令有几个操作数地址，可将指令分为零地址指令。一地址指令、二地址指令、三地址指令。4个地址码的指令很少被使用。

零地址指令：只有操作码，没有地址码（空操作  停止等）

一地址指令：指令编码中只有一个地址码，指出了参加操作的一个操作数的存储位置，如果还有另一个操作数则隐含在累加器中

eg: INC AL 

       INC [S1]

二地址指令：指令编码中有两个地址，分别指出了参加操作的两个操作数的存储位置，结果存储在其中一个地址中

（op a1,a2:a1 op a2 a1）

eg:  MOV AL ,BL

      ADD AL,30

三地址指令：指令编码中有3个地址码，指出了参加操作的两个操作数的存储位置和一个结果的地址

（op a1,a2,a3: a1 op a2  a3）

二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说有可归为三种类型

寄存器-寄存器（RR）型指令：需要多个通用寄存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，把操作结果放入另一个寄存器，机器执行寄存器-寄存器型的指令非常快，不需要访存。

寄存器-存储器（RS）型指令：执行此类指令时，既要访问内存单元，又要访问寄存器。

存储器-存储器（SS）型指令：操作时都是涉及内存单元，参与操作的数都是放在内存里，从内存某单元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中，因此机器执行指令需要多次访问内存。

四、指令字

指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位数，其长度应该与计算机的数据字长相匹配，以简化指令访存的操作，一般指令字长为计算机字长的整数倍。

机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，他决定了计算机的运算精度。指令字长等于机器字长称为单字长指令。

指令字长等于两个机器字长指令称为双字长指令，三字长以上指令较少使用。

使用多字长指令，目的在于提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。

缺点：是必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用了更多的存储空间。

五、操作码的设计

操作码的设计应当与地址码的设计相匹配，以形成高效合理的指令编码。

如指令长度固定的情况下，地址码数量较多的指令可以安排较短的操作码，地址码数量较少的指令中可以安排较长的操作码。

例、某计算机要求如下形式的指令：三地址指令4条，单地址指令254条，0地址指令16条，设指令字长12位每个地址码3位，设计其编码。

答：3地址指令  3位操作码   9位地址码 

1地址指令   9位操作码   3位地址码 

0地址指令12位操作码

先设计3地址操作码用000~011这4个编码作为3地址指令操作码

单地址指令地址码是3位，操作码最多可以9位，前3位用了4个还剩4个

一地址指令中操作码可扩展9位  2的6次方64个

100 xxx xxx     1地址的64条 （100 000 000~100 111 111）

101 xxx xxx     1地址的64条（101 000 000~101 111 111）

110 xxx xxx     1地址的64条 （110 000 000~110 111 111）

111 xxx xxx     1地址的62条 （111 000 000~111 111 111）

剩余为111111110   0地址的8个

           111111111   0地址的8个

例：计算机指令长度为20位，有2地址指令，1地址指令，0地址指令。地址码长度为6位，问若操作码字段固定长度为8位，先设计出m条2地址指令，n条0地址指令，此时改计算机最多可以有多少条1地址指令。

答：

           操作码（20-12=8位）  地址码 8位    地址码8位

因为操作码字段固定长度为8位，1地址指令为m条，0地址指令为n条，最多可以设计出1地址指令为2的8次方-m-n条

例：某16位计算机指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令格式的特点

答：单字长二地址指令

      操作码字段op可以指定128条指令（2的7次方）

      源寄存器和目标寄存器都是通用寄存区（可分别指定16个通用寄存器）所以是RR型指令，两个操作数均在寄存器中

例：16位机指令格式如下。op为操作码字段，试分析指令格式特点

答：双字长（指令32位 机器16位）二地址指令，用于访问存储器

操作码字段op为6位，可以指定64种操作

一个操作数在源寄存区（16个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定）所以是RS行指令。