操作码指令扩展
arm指令集编码
ARM指令集的编码格式遵循一定规则，主要包括操作码、条件码、目标寄存器、操作数等部分。
下面详细介绍ARM指令集的编码格式：
1. 操作码（opcode）：操作码用于表示指令的具体操作，如ADD、SUB、MUL等。
每个操作码对应一个唯一的二进制表示。
2. 条件码（cond）：条件码用于表示指令的执行条件，如EQ（等于）、NE（不等于）、GT（大于）等。
条件码有16种，用1位二进制表示。
3. 可选后缀（S）：如果指令带有S后缀，则在执行指令后根据结果更新CPSR（程序状态寄存器）中的条件码。
4. 目标寄存器（Rd）：目标寄存器表示指令操作的结果将存储在哪个寄存器中。
ARM有7个通用寄存器组，分别用R0-R6表示。
5. 操作数（operand1, operand2）：操作数表示参与指令操作的数据源。
操作数可以是寄存器、内存地址或立即数。
举个例子，以下是一条ADD指令的编码格式：
ADD <opcode> <cond> <Rd>, <Rn>, <operand2>
其中，opcode表示操作码，cond表示条件码，Rd表示目标寄存器，Rn表示第一个操作数，operand2表示第二个操作数。
定长指令结构下的拓展操作码
定长指令结构下的拓展操作码指令OP（操作码）A（指令存放地址）指令由操作码和若⼲个地址码组成。
定长指令字结构（指令总长度不变）的指令系统中所有指令的长度都相等变长指令字结构（指令总长度需要改变）的指令系统中各种指令的长度不等指令操作码OP操作码指出指令中该指令应该执⾏什么性质的操作和具有何种功能。
操作码是识别指令、了解指令功能与区分操作数地址内容的组成和使⽤⽅法等的关键信息。
定长操作码指令系统中所有指令的操作码长度都相同可变长操作码指令系统中各指令的操作码长度可变操作码分类:定长操作码：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。
优：定长操对于简化计算机硬件设计，提⾼指令译码和识别速度很有利;缺：指令数量增加时会占⽤更多固定位，留给表⽰操作数地址的位数受限。
扩展操作码(不定长操作码)：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上。
最常见的变长操作码⽅法是扩展操作码，使操作码的长度随地址码的减少⽽增加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从⽽在满⾜需要的前提下，有效地缩短指令字长。
优：在指令字长有限的前提下仍保持⽐较丰富的指令种类;缺：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。
例：某三地址指令某三地址指令：当指令字长为16位，每个地址码占4位。
则前四位为基本操作码字段OP，另外三个4位长的地址字段A1、A2、A3。
4位基本操作码若全部⽤于三地址指令，则有2^4=16条OP A1A2A3拓展操作码定长指令字结构+可变长操作码 = 扩展操作码指令格式1. 三地址指令，我们有16个，但是只⽤15个，然后留下1111作为其他类型的开头2. ⼆地址指令，我们有16个，但是只⽤15个，然后留下1111 1111作为其他类型的开头3. ⼀地址指令，我们有16个，但是只⽤15个，然后留下1111 1111 1111作为其他类型的开头4. 零地址指令，我们有 1 X 2^4 = 16个。
计算机原理 第四章指令系统
4. 寄存器间接寻址方式
指令给出寄存器号，寄存器中存放着操作数的地址。
优点：寄存器的位数 较长（一般为机器字 长），足以访问整个 内存空间，这样既有 效地压缩了指令长度， 又解决了寻址空间太 小的问题。
主存单元 例： ADD (R1)，(R2) R0 1000H 1000H 3A00H
R1
2C00H＋ 3B00H → 3000H单元 R2
计 算 机 组 成 原 理
指令扩展举例 1
16位指令字 三地址指令范围 xxxx
0000 1110 1111 1111 1111 1111 1111 1111
xxxx xxxx xxxx
A1 A1 0000 1110 1111 1111 1111 1111 A2 A2 A1 A1 0000 1110 1111 1111 A3 A3 A2 A2 A1 A1 0000 1111
２．变长操作码，定长指令码。
操作码长度不固定，但指令码的长度固定。这种设计当操作码变 长时，地址码就缩短（地址个数变少），但指令字总长不变。 〔例〕 设某机器的指令长度为16位，包括基本操作码4位和三个 地址字段，每个地址字段长4位，其格式为： 15 14 13 12 OP 11 10 9 8 AD1 7 6 5 4 AD2 3 2 AD3 1 0
第四章
§4.1 指令格式
指令系统
（Ｐ148）
§4.2
寻址方式
§4.3 指令类型 §4.4 § 4.5 CISC和RISC 实验模型机的指令系统汇总表
§4.1 指令格式
计算机指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命令，又称为 机器指令。
一、指令格式
一条指令应包括两方面的信息：操作码信息和地址码信息。 操作码OP 地址码AD
第4章 指令系统
存取。
二、对指令系统性能的要求三
4、兼容性：
系列机各机种之间具有相同的基本结 构和共同的基本指令集，因而指令系统是 兼容的，即各机种上基本软件可以通用。但 由于不同机种推出的时间不同，在结构和性 能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不 可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机 上运行的软件可以在高档机上运行。
a、CISC：70年代后，大多数计算机的指 令系统多达几百条。我们称这些计算机 为复杂指令系统计算机(CISC)。
b、RISC：但是如此庞大的指令系统难以 保证正确性，不易调试维护，造成硬件 资源浪费。为此人们又提出了便于LSI技 术实现的精简指令系统计算机（RISC） 返回
二、对指令系统性能的要求一
4.4、指令和数据的寻址方式
一、指令的寻址方式 二、操作数寻址方式
三、寻址方式举例
一、指令的寻址方式一
1、寻址方式:形成操作数有效地址或指令 有效（偏移）地址的方式。 2、寻址方式分为两类，既指令寻址方式和 数据寻址方式。 3、指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻 址方式，另一 种是跳跃寻址方式。 4、操作数或指令在存储器中的地址：某个 操作数或某条指令存放在某个存储单元 时，其存储单元的编号就是地址。请看 图示
答案：
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例三答案：
三、低级语言与硬件结构的关系
高级语言 低级语言
Visual c++、foxpro、java
与软件结构和指令系统无关 编写的程序可在不同机器上 运行
汇编语言、二进制语言
与机器、指令系统密切相关 编写的指令系统不同，不同
机器用不同汇编语言编写程 序，机器唯一可识别的是二
《计算机组成原理》5-指令系统
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
扩展操作码设计方案
扩展操作码设计方案背景扩展操作码是指计算机处理器中的新增操作码，用于执行特定的指令。
在计算机发展的过程中，为了满足不断增长的运算需求和计算机体系结构的演化，对于操作码的设计和扩展变得非常重要。
本文将介绍一种扩展操作码的设计方案，以应对现代计算机处理器的需求。
设计目标•提供更多的操作码，以支持更多的指令功能•提高指令执行效率，减少指令执行时间•保持向后兼容性，以便支持现有的指令集架构设计方案方案一：扩展操作码表设计一个新的扩展操作码表，该表包含了新增的操作码和对应的指令功能。
扩展操作码表可以根据需要进行动态扩展，以支持更多的操作码。
新增的操作码可以与现有的操作码表进行区分，以实现向后兼容性。
每个操作码可以对应多个指令功能，使得处理器可以执行更多的操作。
方案二：位扩展操作码设计一种新的位扩展操作码的方式，通过对现有的指令集架构进行扩展。
在指令的编码中增加额外的位，用于表示新增的操作码。
这种方式可以在不改变现有指令格式的情况下扩展操作码，实现向后兼容性。
处理器在执行指令时，识别新增的操作码并执行相应的指令功能。
示例假设现有的指令格式为：OPCODE REG1, REG2, IMM其中，OPCODE为操作码字段，REG1和REG2为寄存器字段，IMM为立即数字段。
为了支持新增的操作码，我们可以在现有指令格式的OPCODE字段中增加额外的位。
例如，假设新增的操作码为EXT，使用1位来表示，则指令格式可以扩展为：OPCODE REG1, REG2, IMM其中，OPCODE字段为3位，其中第1位用于表示是否为扩展操作码，第2和第3位用于表示具体的操作码类型。
扩展操作码EXT的值为01，因此对应的指令格式为：01 REG1, REG2, IMM处理器在执行指令时，首先判断第1位是否为1，如果是，表示为扩展操作码，则根据第2和第3位的值执行相应的操作码功能。
实施步骤1.评估现有的指令集架构，了解其扩展操作码的需求和限制。
指令操作码扩展方法(一)
指令操作码扩展方法(一)指令操作码扩展1. 什么是指令操作码扩展？指令操作码扩展是计算机领域中的一种技术，用于扩展计算机指令的操作码范围。
传统的计算机指令集中，操作码的位数是有限的，导致指令集的容量受限。
指令操作码扩展通过增加操作码的位数，可以扩大指令集的容量，从而支持更多的指令。
2. 指令操作码扩展的方法增加操作码位数增加操作码的位数是一种常见的指令操作码扩展方法。
传统的操作码通常使用几个位来表示，如8位或16位。
通过增加操作码位数，可以在原有的指令集基础上增加更多的操作码，从而支持更多的指令。
使用变长操作码除了增加操作码位数，还可以使用变长操作码来扩展指令集。
传统的操作码长度固定，导致指令集容量受限。
而使用变长操作码，可以根据需要动态地调整操作码的长度，从而支持更多的指令。
采用前缀码前缀码是一种常见的指令操作码扩展方法。
传统的操作码项较少，但是通过添加前缀码，可以为每个操作码添加更多的选项，从而扩展指令集的容量。
前缀码通常是一个固定的位序列，用于识别操作码的不同选项。
利用未被使用的操作码在传统的指令集中，可能存在一些未被使用的操作码。
可以通过重新分配这些未被使用的操作码，来扩展指令集的容量。
这种方法不需要增加操作码位数或使用变长操作码，仅需要对指令集进行重新映射即可。
3. 指令操作码扩展的优缺点优点•支持更多的指令：通过扩展指令操作码，可以支持更多的指令，使得计算机具有更多的功能和灵活性。
•提高指令集的效率：指令操作码扩展可以使得指令集更紧凑，减少指令的长度，从而提高指令集的效率。
缺点•设计复杂性增加：指令操作码扩展会增加计算机硬件的设计复杂性，包括处理器、控制器等。
•指令兼容性问题：指令操作码扩展可能导致指令集的不兼容，使得旧的程序无法在新的计算机上运行。
指令操作码扩展是一种重要的技术，通过扩展操作码的位数、使用变长操作码、采用前缀码或利用未被使用的操作码，可以扩大指令集的容量，从而提供更多的指令。
计算机组成原理测验2及参考答案
设操作码长度= K位
则二地址指令最多可以有2K－M－N 条 （2）如果操作码长度可变
采用操作码扩展技术
基本操作码位数=16－2×6 = 4 位 当留下一个码字作为扩展标志时，二地址指令数为最多 二地址指令最多可以有24－1 = 15条
5
五、 （共10分） 判断题 （请在正确的句子前写T，错误的句子前写F）
16条二地址指令 操作码 1000 0000~1000 1111 100条一地址指令 OP A1 A2
OP
A
操作码 110000000000~1100 0110 0011 当操作码的第1位=1时，第2位=1表示一地址指令
4
四． （共20分）某机指令字长16位，每个操作数的地址码长6位， 设操作码长度固定，指令分为零地址、一地址和二地址三 种格式。（ 1）若零地址指令有 M 条，一地址指令有 N条，问二 地址指令最多可能有多少条？（2）若操作码位数可变，则二地 址指令最多允许有多少条？
测验2参考答案 一、（20分）某计算机的指令字长为16位，用指令操作码扩展技 术设计指令系统，要求有零地址指令16条，一地址指令31条，两 地址指令14条及三地址指令15条。每个地址码字段为4位。 解： 要求三地址指令有15条，15<24，基本操作码字段的长度为4位。 指令格式为： 15 12 11 8 7
31条一地址指令的操作码,由111111110000～111111111110和 111111100000～111111101111给出，
留下一个码号111111111111用于把操作码扩展到A3。 16条零地址指令的操作码由 1111111111110000～1111111111111111给出。
ＯＰ A1 A2
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题一某计算机指令字长为16位，指令有双操作数、单操作数和无操作数3种格式，每个操作数字段均用6位二进制表示，该指令系统共有m条（m<16）双操作数指令，并存在无操作数指令。
若采用扩展操作码技术，那么最多还可设计出（）条单操作数指令。
A．2^6 B．(2^4-m)*(2^6)-1
C．(2^4-m)*2^6 D．(2^4-m)*(2^6-1)
答案选B
分析：
对于双操作数指令而言，两个长度为6位的操作数共占了12位，剩余的4位用作操作码，所以可以设计出2的四次方个双操作数指令。
系统中已经设计出了m条双操作数指令，那么剩余的2^4-m条可以用于设计单操作数的操作码。
对于单操作数指令而言，它的操作码长度为16-6=10位。
题目中要求使用扩展操作码技术，所以单操作数指令在原来的双操作数指令的4位操作码上可以扩展10-4=6位，所以最多可以设计出(2^4-m)*(2^6)-1条单操作数的指令。
减去1的原因是“存在无操作数指令”，所以至少留下一个用来扩展无操作数指令。
题二指令字长为16位，采用扩展操作码技术，形成15条三地址指令、12条二地址指令、31条一地址指令和16条零地址指令。
三地址:(15条)
0000 **** **** ****
... ... ... ...
1110 **** **** ****
二地址:(12条)
1111 0000 **** ****
... ... ... ...
1111 1011 **** ****
一地址:(31条)
1111 1100 0000 ****
... ... ... ...
1111 1101 1110 ****
零地址:(16条)
1111 1101 1111 0000
... ... ... ...
1111 1101 1111 1111
若某机要求：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。
设指令字长为12位．每个
地址码长为3位。
问能否以扩展操作码为其编码?如果其中单地址指令为254条呢?说明其理由。
答：①不能用扩展码为其编码。
∵指令字长12位，每个地址码占3位；
∴三地址指令最多是2^(12-3-3-3)=8条，现三地址指令需4条,
∴可有4条编码作为扩展码，
∴单地址指令最多为4×2^3×2^3=2^8=256条，
现要求单地址指令255条，∴可有一条编码作扩展码
∴零地址指令最多为1×2^3＝8条
不满足题目要求
∴不可能以扩展码为其编码。
某计算机指令长度为32位，有3种指令:双操作数指令、单操作数指令、无操作数指令。
今采用扩展操作码的方式来设计指令，假设操作数地址为12位，己知有双操作数指令K条，单操作数指令L条，问无操作数指令有多少条?
答案：
解：对于双操作数指令，操作码长度为(32－12×2)＝8位；
对于单操作数指令，操作码长度为(32－12)＝20位，可扩展位为20－8=12位；
对于无操作数指令，操作码长度为32位，可扩展位为32－20=12位。
由于双操作数指令有K条，而双操作数最多有28条，所以留有(28－K)个编码用于扩展到单操作数指令；
单操作数指令有L条，而单操作数指令最多有(28－K)×212条，所以留有[(28－K)×212－L]个编码用于扩展到无操作数指令；
根据以上分析：无操作数指令条数＝[(28－K)×212－L] ×212。