计算机组成结构—指令和指令格式

一、指令的基本格式

二、指令字长

1. 定长指令字结构

2.变长指令字结构

三、地址码

1.四地址指令

2.三地址指令

3.二地址指令

4.一地址指令

5. 零地址指令

四、操作码

1. 定长操作码指令格式

2. 扩展操作码指令格式

五、指令的操作数类型和操作类型

1. 操作数类型

2. 指令的操作类型

计算机是通过连续执行一条条机器语言语句，而实现自动工作的。习惯上就把每一条机器语言的语句称为指令，而把全部机器指令的集合称为机器的 指令系统。

指令（机器指令）是指计算机执行某种操作的机器语言命令。
一台计算机的所有指令的集合构成该计算机的 指令系统，也称 指令集。

指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。

一、指令的基本格式

指令由 操作码 和 地址码（操作数地址） 两部分组成。

操作码：指出指令执行什么操作和具有何种功能。例如，指出是算术加运算，还是减运算；是程序转移，还是返回操作。
地址码：指岀被操作的信息（指令或数据）的地址，包括参加运算的一个或多个操作数的地址、运算结果的保存地址、程序的转移地址、被调用的子程序的入口地址等。

二、指令字长

指令字长 是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，它取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数的个数。不同机器的指令字长是不同的，指令字长通常取 8 的整数倍。

按照字长是否可变，又可以将指令系统分为 定长指令字结构 和 变长指令字结构。

1. 定长指令字结构

在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，称为 定长指令字结构（定字长指令）。

早期的计算机都是定长指令字结构，而且指令字长、机器字长、存储字长全部相等；这样每次访问某个存储单元，就可以取出一个完整的指令或者数据。

定字长指令的执行速度快，控制简单。精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Compter，RISC）采用定字长指令。

2.变长指令字结构

随着计算机的发展，存储容量不断增大，要求处理的数据类型也越来越多，指令字长发生了很大变化。一台计算机的指令系统可以采用不同长度的指令，比如单字长指令、多字长指令。

若指令系统中各种指令的长度随指令功能而异，就称为 变长指令字结构（变字长指令）。由于主存是按字节编址的，所以指令字长多为字节的整数倍。

控制变长指令的电路会比较复杂，而且多字长指令需要多次访问主存才能取出一条完整指令，导致了 CPU 速度降低。

原则上讲，短指令比长指令好，因为短指令能节省存储空间，提高取指令的速度，但也有很大的局限性。长指令占用更多的存储空间，取指令的时间也会更长，但其能扩大寻址范围或可带多个操作数。如果长、短指令在同一机器中混合使用，就会给指令系统带来很大的灵活性。为了提高指令运行速度、节省存储空间，一般会尽可能地把常用的指令设计成单字长或者短字长的格式。

复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Compter，CISC）采用变字长指令。

三、地址码

地址码 用来指出指令操作涉及到的数据或指令具体保存的位置，可以包括：

源操作数的地址（一个或两个）
操作结果的地址
下一条指令的地址

这里的 “地址” 一般指主存地址，也可以是寄存器的地址，甚至可以是 I/O 设备的地址。

我们以主存地址为例，分析一下地址码的分配。根据地址码字段的数量不同，可以把指令再做分类：

1.四地址指令

地址码字段最多的指令，可以包含所有的信息，共有四个地址字段：

其中 OP 是操作码；地址码 A~1~ 为第一操作数地址，A~2~ 为第二操作数地址，A~3~ 为结果地址，A~4~ 为下一条指令的地址。

这一指令完成的操作可以写作：

$(A_1)OP(A_2) \to (A_3)$

对 $A_1$ 和 $A_2$ 中存放的数据执行 OP 操作，得到的结果填入 $A_3$ ，然后再跳转到 $A_4$ 位置执行下一条指令。后续指令地址可以任意填写。

假设采用定字长指令结构，指令字长为 32 位，操作码 OP 固定为 8 位。这样，每个地址码就应该占据 6 位，那么能够寻址的地址范围为 2^6^ = 64。

这里如果都是主存地址，那么完成这样的一条四地址指令，需要访问主存 4 次（取指令 → 取操作数 $A_1$ → 取操作数 $A_2$ → 结果写入 $A_3$ ）。

2.三地址指令

程序中大多数指令都是顺序执行的，而程序计数器 PC 存放了当前要执行指令的地址，每次执行完会自动计算下一条指令的地址（“加 1”）；所以一般并不需要在指令中直接给出下一条指令的地址， $A_4$ 可以省去，这样就得到了三地址指令。

跟四地址指令一样，它也可以完成操作：

$(A_1)OP(A_2) \to A_3$

后续的指令地址隐含在 PC 中。如果指令字长仍为 32 位、操作码为 8 位，那么每个地址码也可以占据 8 位，能够寻址的地址范围为 2^8^ = 256。当然，完成这样一条指令同样需要 4 次访存。

3.二地址指令

如果将操作的结果直接保存在某个操作数地址对应的存储单元，就又可以在指令中节省一个地址 $A_3$ ，这样就得到了二地址指令。

它表示执行的操作为：

$(A_1)OP(A_2)\rightarrow A_1$

这里 $A_1$ 既代表第一个源操作数的地址，也代表本次运算结果的存放地址。这种情况下，完成这一条指令同样需要 4 次访存（取指令 → 取操作数 $A_1$ → 取操作数 $A_2$ → 结果写入 $A_1$ ）。

由于访存开销比较大，计算机运行过程中，可以将中间计算结果暂存在 CPU 的寄存器（如 ACC）中，这样就节省了最后写入主存的过程。这时的二地址指令表示执行的操作为：

$(A_1)OP(A_2)\rightarrow ACC$

这种情况下，完成指令只需要 3 次访存。如果指令字长仍为 32 位、操作码为 8 位，那么每个地址码可以占据 12 位，能够寻址的地址范围为 2^12^ = 4K。

4.一地址指令

自然可以想到，如果把二地址指令的两种情况结合起来，把某个操作数放在寄存器中，同时计算结果也放在寄存器中，那么就又可以节省一个地址了；这就是一地址指令。

它表示执行的操作为：

$(ACC)OP(A_1)\rightarrow ACC$

这里第一个操作数存放在 ACC 中，第二个操作数地址为 $A_1$ ，运算结果仍存放在 ACC 中。这样，完成指令只需要 2 次访存（取指令 → 取操作数 $A_1$ ）。

当然，上面所讨论的都是需要两个操作数的情况；一些特殊的操作，可能只需要一个操作数，比如按位取反、自增自减操作。这时表示执行的操作为

$OP(A_1)\rightarrow A_1$

因为得到的结果还要再写回到对应地址中，所以需要 3 次访存（取指令 → 取操作数 A~1~ → 结果写入 A~1~）。如果指令字长仍为 32 位、操作码为 8 位，那么地址码可以占据 24 位，能够寻址的地址范围为 2^24^ = 16M。

5. 零地址指令

在指令系统中，还有一种指令是没有地址码的，这就是零地址指令。零地址指令中只有操作码也可以分两种情况：

没有操作数的指令，比如空操作（NOP）、停机（HLT）；
有一个隐含操作数的指令，比如子程序返回（RET）、中断返回（IRET），这类操作利用了栈数据结构，操作数的地址就隐含在堆栈指针（SP）中。

四、操作码

操作码的位数就代表了机器的操作种类，也就是机器指令集中的指令条数。操作码的长度可以是固定的，也可以是变化的。根据操作码长度是否可变，可以分为 定长操作码 和 变长操作码 两种指令格式。

1. 定长操作码指令格式

定长操作码指令，是在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。一般 n 位操作码字段的指令系统最大能够表示 2^n^ 条指令。

这种指令格式便于计算机硬件设计，指令译码和识别时间短，广泛应用于字长较长的、大中型计算机和超级小型计算机以及 RISC（Reduced Instruction Set Compter，精简指令集计算机）中。当计算机字长为 32 位或更长时，这是常规做法。

2. 扩展操作码指令格式

可变长度操作码指令，是指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。显然，这将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

常见的可变长度操作码是 扩展操作码。在指令字长一定的条件下，操作码的长度随地址数的减少而增加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码。

在设计扩展操作码指令时，需要注意两点：

不允许短操作码是长操作码的前缀；
各指令的操作码一定不能重复。

下面就是一种扩展操作码的示例。指令字长为 16 位，前 4 位为基本操作码字段 OP，另有 3 个 4 位的地址字段分别为 $A_1$ 、 $A_2$ 、 $A_3$ 。

4 位基本操作码若全部用于三地址指令，则有 16 条。如果考虑到需要扩展到较少地址的指令，则将三地址指令减为 15 条，1111 留作扩展操作码使用；二地址指令为 15 条，1111 1111留作扩展操作码使用；一地址指令为 15 条，1111 1111 1111 留作扩展操作码使用；零地址指令为 16 条。

除了这种安排以外，还有其他多种扩展方法，如形成 15 条三地址指令、12 条二地址指令、63 条一地址指令和 16 条零地址指令，共 106 条指令；或者 12 条三地址指令、61 条二地址地址、47 条一地址指令和 16 条零地址指令。

在通常情况下，对使用频率较高的指令分配较短的操作码，对使用频率较低的指令分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。

五、指令的操作数类型和操作类型

1. 操作数类型

计算机中常见的操作数类型有数字、地址、字符、逻辑数据等。

数字：计算机中常见的数字有定点数、浮点数和十进制数，它们分别用不同格式的二进制编码来表达。
地址：本质上也是一种数据，很多时候需要对操作数地址进行计算，可以认为是一个无符号整数。
字符：文本或者字符串也是一种常见的数据形式。计算机不能直接存储和传送数据，需要按一定规则对字符进行编码；广泛使用的是 ASCII 编码。
逻辑数据：除算术运算外，计算机还经常需要进行逻辑运算，此时二进制码中的 0 和 1 就应该被看作逻辑上的 “假” 和 “真”，参与逻辑与或非运算。这样的数据就是 “逻辑数据”。