计算机组成原理-指令系统

计算机能解题是由于机器本身存在一种语言，它能理解人的意图，又能被机器自身识别。机器是由一条条语句构成的，每一条语句又能准确表达某种语义。计算机就是连续执行每一条机器语句而实现全自动工作的。

人们习惯把每一条机器语言的语句成为机器指令，而又将全部机器指令的集合称为机器的指令系统。因此机器的指令系统集中反映了机器的功能。

计算机设计者主要研究如何确定机器的指令系统，如何用硬件电路、芯片、设备来实现机器指令系统的功能。计算机的使用者则是依据机器提供的指令系统，使用汇编语言来编制各种程序。计算机使用者根据机器指令系统所描述的机器功能，能清楚的了解计算机内部寄存器-存储器的结构，以及计算机能直接支持的各种数据类型。

指令的一般格式

指令是由操作码和地址码两部分组成的。

操作码	地址码

操作码用来指明所要完成的操作。

地址码用来指出该指令的源操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一条指令的地址。

指令字长取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。

操作数类型
地址、数字、字符、逻辑数据

操作类型
不同的机器，操作类型也是不同的，但几乎所有的机器都有以下几类通用的操作。

数据传送 包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元 与存储单元之间的传送。如对存储器读和写、进栈、出栈等。

算术逻辑操作 可实现算术操作（加、减、乘、除、增1、减1、 取负数即求补）和逻辑运算（与、或、非、异或）。

移位 移位可分为算术移位、逻辑移位和循环移位。算术移位和 逻辑移位分别可实现对有符号数和无符号数乘以2n(左移)或整 除2n(右移)的运算，并且移位操作所需时间远比乘除操纵执行 时间短，因此，移位操作经常被用来代替简单的乘法和除法运算。

转移 在多数情况下，计算机是按顺序执行程序的每条指令的， 但有时需要改变这种顺序，此刻可采用转移类指令来完成。转移指 令按其转移特征又可分为无条件转移、条件转移、跳转、过程调用 与返回、陷阱等几种。

无条件转移 不受任何条件的约束，可直接把程序转移到下一条需执行指令的地址。

条件转移 根据当前指令的执行结果来决定是否需要转移。若条件满足，则转移；若条件不满足，则继续按顺序执行。

调用与返回 在编写程序时，有些具有特定功能的程序段会被反复使用。为避免重复编写，可将这些程序段设定为独立子程序，当需要执行某子程序时，只需要子程序调用指令即可。

寻址方式
确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法。分为指令寻址和数据寻址两大类。

指令寻址分为顺序寻址和跳跃寻址。

顺序寻址 通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址

跳跃寻址 则通过转移类指令实现。

数据寻址方式种类较多，在指令中必须设一字段来指明属于哪一种寻 址方式。指令的地址码字段通常都不代表操作数的真实地址，把它称 为形式地址，记作A。操作数的真实地址称为有效地址 ，记作EA，它是由寻址方式和形式地址共同来确定的。

操作码	寻址特征	形式地址A

立即寻址 形式地址A不是操作数的地址，而是操作数本身。优点在 于只要取出指令，便可立即获得操作数，在执行阶段不必再访问存 储器。但A的位数限制了这类指令所能表述的立即数的范围。



直接寻址 形式地址A就是操作数的真实地址EA。优点是寻找操作数比较简单，也不需要专门计算操作数的地址，在指令执行阶段对主存只访问一次。缺点在于A的位数限制了操作数的寻址范围，而且必须修改A的值，才能修改操作数的地址。



间接寻址 指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址，而是指出操作数有效地址所在的存储单元地址，也就是说，有效地址是由形式地址简介提供的。



这种寻址方式与直接寻址相比，它扩大了操作数的寻址范围，因为A的位数通常小于指令字长，而存储字长可与指令字长相等。若设指令字长与存储字长均为16位，A为8位，显然直接寻址范围为28，一次间接寻址的寻址范围可达216。

第二个优点在于它便于编程，例如，用间接寻址可以很方便地完成子程序返回