一、指令格式
1、指令格式概述
1）操作码、地址码
操作码（OP）：指明了"做什么"
地址码（A）：指明了"对谁动手"
有的指令不需要地址码（停机）
2）指令的定义
指令（机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。
一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。
2、指令格式的分类
1）地址码数目
1. 零地址指令
零地址指令：OP
不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶
2. 一地址指令
一地址指令：OP + $A_1$
1、只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
指令含义：OP（$A_1$） -> $A_1$
完成一条指令需要3次访存：取指 => 读$A_1$ => 写$A_1$
2、需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）
指令含义：（ACC）OP（$A_1$） -> ACC
完成一条指令需要2次访存：取指 => 读$A_1$
3. 二地址指令
二地址指令：OP + $A_1$(目的操作数) + $A_2$(源操作数)
常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
指令含义：（$A_1$）OP（$A_2$） -> $A_1$
完成一条指令需要访存4次，取指 => 读$A_1$ => 读$A_2$ => 写$A_1$
4. 三地址指令
三地址指令：OP + $A_1$(目的操作数) + $A_2$(源操作数) + $A_3$(结果)
常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
指令含义：（$A_1$）OP（$A_2$） -> $A_3$
完成一条指令需要访存4次，取指 => 读$A_1$ => 读$A_2$ => 写$A_3$
5. 四地址指令
四地址指令：OP + $A_1$(目的操作数) + $A_2$(源操作数) + $A_3$(结果) + $A_4$(下一个指令的地址)
指令含义：（$A_1$）OP（$A_2$） -> $A_3$
$A_4$：下一条将要执行指令的地址
完成一条指令需要访存4次，取指 => 读$A_1$ => 读$A_2$ => 写$A_3$
正常情况下：取指令之后 PC+1，指向下一条指令
四地址指令：执行指令后，将PC的值修改为$A_4$所指地址
2）指令长度
指令字长：一条指令的总长度（可能会变）=> 半字长指令、单字长指令、双字长指令 => 指令字长会影响取指令所需时间
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）
存储字长：一个存储单元中的二讲制代码位数(通常和MDR位数相同)
定长指令字结构：指令系统内所有指令的长度都相等
变长指令字结构：指令系统内所有指令的长度都不等
3）操作码的长度
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
4）操作类型
1. 数据传送类
LOAD：把存储器中的数据放到寄存器中
STORE：把寄存器中的数据放到存储器中
2. 运算类
- 算术逻辑操作
- 移位操作
- 转移操作
- 无条件转移 JMP
- 条件转移jZ：结果为0
- J0：结果溢出
- JC：结果有进位
- 调用和返回 CALL和RETURN
- 陷阱Trap与陷阱指令
3. 输入输出类
CPU寄存器与IO端口之间的数据传送（端口即IO接口中的寄存器）
二、扩展操作码指令格式
扩展操作码 = 定长指令字结构 + 可变长操作码
- 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。
- 各指令的操作码一定不能重复
设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出 $m*2^n$ 种状态
三、指令寻址
程序计数器PC：指明下一条条指令的存放地址
指令寻址：下一条欲执行指令的地址（始终由程序计数器PC给出）
1、顺序寻址
(PC) + "1" -> PC
2、跳跃寻址
指令修改PC的值
JMP 7：无条件转移，把PC中的内容改成7
四、数据寻址
数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址
求出操作数的真实地址，称为有效地址（EA）。
1、直接寻址
直接寻址：指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA=A
一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存1次，暂不考虑存结果，共访存2次
优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存，不需专门计算操作数的地址。
缺点：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。
2、间接寻址
间接寻址：指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地 址，即EA = (A)
一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存2次，暂不考虑存结果，共访存3次
优点：可扩大寻址范围（有效地址EA的位数大于形式地址A的位数），便于编制程序（用间接寻址可以方便地完成子程序返回）
缺点：指令在执行阶段要多次访存（一次间址需两次访存，多次导址需根据存储字的最高位确定几次访存）
3、寄存器寻址
寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即 $EA=R_i$，其操作数在由指所指的寄存器内
一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存0次，暂不考虑存结果，共访存1次
优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且执行速度快，支持向量/矩阵运算
缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限
4、寄存器间接寻址
寄存器间接寻址：寄存器R中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即$EA=(R_i)$
一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存1次，暂不考虑存结果，共访存2次
特点：与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存（因为操作数在主存中）
5、隐含寻址
隐含寻址：不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址
优点：有利于缩短指令字长
缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件
6、立即寻址
立即寻址：形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式。#表示立即寻址特征。
一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存0次，暂不考虑存结果，共访存1次
优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短
缺点：A的位数限制了立即数的范围。如A的位数为n，且立即数采用补码时，可表示的数据范围为$-2^{n-1}$ ~ $2^{n-1}-1$
7、基址寻址
基址寻址：将CPU中基址寄在器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A，形成操作数的有效地址，即$EA=(BR)+A$
操作系统中的"重定位奇存器"就是"基址寄存器"
- 专门的基址寄存器BR
- 在指令中指明，要将哪个通用寄存器作为基址寄存器
优点：便于程序"浮动"，方便实现多道程序并发运行。可扩大寻址范围。有利于多道程序设计，可用于编制浮动程序
基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定。在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变（基地址），形式地址可变（偏移量）
当采用通用寄存器作为基址寄存器时，可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器，但其内容仍由操作系统确定。
8、变址寻址
变址寻址：有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即$EA=(IX)+A$。其中EX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。
变址寄存器是面向用户的：在程序执行过程中，变址寄存器IX的内容可由用户改变（偏移量），形式地址A不变（基地址）
优点：在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序
先基址后变址寻址：$EA=(IX)+((BR)+A)$
9、相对寻址
相对寻址：把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，$EA=(PC)+A$，其中A是相对于PC所指地址的位移量，可正可负，补码表示。
优点：操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动（一段代码在程序内部的浮动）。相对寻址广泛应用于转移指令。
ACC加法指令的地址码，可采用"分段"方式解决，即程序段、数据段分开
10、堆栈寻址
堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP）作为操作数地址
堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按栈管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针（SP）
五、CISC和RISC
CISC：一条指令完成一个复杂的基本功能
RISC：一条指令完成一个基本"动作"，多条指令组合完成一个复杂的基本功能
80-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令
