《计算机组成原理》考研真题及典型题详解-指令系统【圣才出品】

第4章指令系统
4.1知识要点总结
一、指令格式
1．指令的基本格式
（1）指令：又称机器指令，是计算机要执行某种操作的命令，可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。

一台计算机的所有指令集合称为该机的指令系统或为指令集。

指令系统是衡量计算机性能的主要标志之一。

（2）指令格式：指令是用二进制代码表示，一般分为操作码与地址码两部分。

操作码表征指令的操作特性与功能，地址码通常给出操作数的地址。

计算机的每条指令都有一个操作码，其表示指令应该完成什么样的操作。

不同的操作码不同的编码，一种编码代表一种指令。

操作码的长度取决于指令系统的规模。

地址码用于给出被操作的信息（指令或数据）的地址，包括参加运算的一个或多个操作数所在的地址、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。

（3）指令的分类
根据地址码的个数可以将指令分为以下几种：
①零地址指令：只有一个操作码，没有地址码。

例如停机指令。

②一地址指令：有一个地址码，例如自加指令，跳转指令。

③二地址指令：有两个地址码，分别表示目的操作数与源操作数地址，其中目的操作数
地址存放本次结果。

④三地址指令：有三个地址码，分别表示两个操作数地址最后给出本次结果的存放地址。

⑤四地址指令：有四个地址码，在三地址指令的基础上，给出了下一条指令的地址。

指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数。

指令字长取决于操作码的长度、操作数地址码的长度和操作数地址的个数。

指令长度与机器字长没有固定的关系。

通常，把指令长度等于机器字长的指令称为单字长指令；指令长度等于半个机器字长的指令称为半字长指令；指令长度等于两个机器字长的指令称为双字长指令。

在一个指令系统中，如果所有指令的长度都是相等的，称为定长指令字结构。

若各种指令的长度随指令功能而异，就称为变长指令宇结构。

但因为主存一般是按字节编址，所以指令字长多为字节的整数倍。

定字长指令的执行速度快，控制简单，变长指令，执行效率高，但硬件设计复杂。

2．定长操作码指令格式
定长操作码是指指令的操作码位数与位置固定，一般在指令的高位选择固定位数作为操作码。

操作码长度为n的指令系统最多有2n条指令。

此格式对于简化计算机的硬件设计很有帮助，在字长较大的大中型计算机中广泛使用。

3．扩展操作码指令格式
扩展操作码：即操作码字段长度可变，且分散的放在指令字的不同字段中，在字长较短的微型机和小型机中广泛使用。

操作码长度可变使得译码与分析变得困难，增加了控制器的设计难度。

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。

扩展操作码指令设计的两条准则：
（1）不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。

（2）各指令的操作码一定不能重复。

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。

【例】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，每个操作数字段均有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单操作数指令的条数是A．26
B．（23－m）×26－1
C．（23－m）×26
D．（23－m）×（26－1）
【答案】B
【解析】双操作数指令操作码字段占4位，单操作数指令操作码字段占10位，无操作数指令操作码字段占16位。

现指令系统中有m条双操作数指令，则给单操作数和无操作数指令留下了（24－m）个扩展窗口。

因为存在着无操作数指令，所以单操作数指令必须要给无操作数指令留下一个扩展窗口，最终最多可以设计出单操作数指令的数目为（24－m）×26－1。

二、指令的寻址方式
1．有效地址的概念
指令中的地址码字段并不一定是操作数的真实地址（这个地址被称为形式地址A），用形式地址按照某种寻址方式，计算出操作数在存储器中的真实地址，称为有效地（EA）。

2．数据寻址和指令寻址
寻址方式分为：数据寻址与指令寻址两大类。

所谓指令寻址就是需找下一条要执行指令的地址，数据寻址即寻找指令中操作数的地址。

前者比较简单，后者相对复杂些。

（1）指令寻址：指令寻址方式有两种，一种是顺序寻址方式；另一种是跳跃寻址方式。

①顺序寻址：指令地址由程序计数器给出，通过PC的自加操作自动形成下一条指令的的地址。

②跳跃寻址：指下条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令给出，例如转移指令。

（2）数据寻址：所谓数据寻址就是形成有效操作数地址的方法。

数据寻址方式很多，也比较复杂，在指令中，一般使用寻址方式标记位来区分数据寻址方式，其一般格式如下
3．常见寻址方式
（1）隐含寻址：这类型的指令，不明显的给出操作数的地址，而是直接隐含在指令中。

例如对于单地址指令而言，并没有明显的给出第二操作数的地址，而是使用累加器作为第二操作数地址，因此累加器ACC对于单地址指令而言是隐含地址。

隐含寻址有利于缩短指令长度，但是要增加硬件。

（2）立即（数）寻址：这类型的指令，在操作码字段直接给出操作数本身，数据采用补码存放。

立即数寻址在数据访问阶段不需要访问内存，因此可以加快指令执行速度，但是
由于位数有限，限制了操作数的范围。

（3）直接寻址：在指令的地址码中直接给出操作数的地址，即EA＝A。

直接寻址的优点是简单，指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址；缺点是A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改。

（4）间接寻址：地址码字段的给出的不是操作数的真正地址，而是操作数地址的地址，即EA＝（A），其寻址方式可以表示如下：
图4-1间接寻址
间接寻址可以是一次间接寻址也可以是多次间接寻址，当使用多次间址时，需要在主存中设置间址标记位，用来标记间址次数。

当标记位为0时，表示取到有效地址，否则继续间址。

间接寻址扩大了寻址范围，便于编程，但是在指令执行时需要多次访问内存，一次间址需要访问两次内存，多次间址，访存次数根据间址次数确定，例如二次间址访存三次。

（5）寄存器寻址：指令执行过程中的操作数来源于寄存器，指令的地址码直接给出操作数所在寄存器的地址，EA＝R i。

寄存器寻址，指令执行过程中不会访存，指令字短执行速度快，但是不利于编译优化，硬件复杂。

（6）寄存器间接寻址：在寄存器中给出的不是一个操作数，而是操作数的地址，此时可以利用这一地址去读写某一存储单元，即EA＝（R i）。

使用此种方式指令寻址阶段需要访问主存。

图4-2寄存器寻址（左直接寻址）（右间接寻址）
（7）相对寻址：是将程序计数器（PC）的内容加上指令格式中的形式地址而给出操作数的实际地址，即EA＝（PC）＋A，A为相对于当前指令地址的偏移量。

在此寻址方式中，操作数地址随着PC的值变化而变化，十分有利于程序浮动，转移指令广泛采用此寻址方式。

对于转移指令JMPA，当CPU从存储器中取出一个字节时，会自动执行（PC）＋1→PC。

若转移指令的地址为X，且占2个字节，在取出该指令后，PC的值会增2，即（PC）＝X＋2，这样在执行完该指令后，会自动跳转到X＋2＋A的地址继续执行。

图4-3相对寻址。