1.指令格式
指令(又称机器指令)，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仑构成该机的指令系统，也称为指令集。
注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。
一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分:
一条指令可能包含 0个、1个、2个、3个、4个地址码....
根据地址码数目不同，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令...
2.按地址码数目分类
（1）零地址指令
1.不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
2.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，例如“后缀表达式”
在栈的操作。
如上图所示，当扫描到“+”符号时，就会把栈顶和次栈顶两个元素执行相应运算，将运算结果压回栈顶，再继续往后扫描。
（2）一地址指令
1.只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
指令含义:OP(A1)--->A1 完成一条指令需要3次访存:取指--->读A1(读A1对应的主存单元)--->写A1(得到运算结果后，会把运算结果再次写回A1)
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(A1)--->ACC 完成一条指令需要2次访存：取指--->读A1（由于最终结果保存在ACC中，所以存结果不需要访存）
注：A1指某个主存地址，(A1)表示A1所指向的地址中的内容,A1可以类比C语言中的指针，（A1）可以类比指针所指位置的内容。
（3）二地址指令
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:(AI)OP(A2)--->A1 完成一条指令需要访存4次,取指--->读A1 --->读A2--->写A1
（4）三地址指令
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:(AI)OP(A2)→A3 完成一条指令需要访存4次，取指--->读A1 --->读A2--->写A3
（5）四地址指令
指令含义：(A1)OP(A2)--->A3，A4 =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A1 ---> 读A2 ---> 写A3
注：正常情况下取指令之后PC+1，指向下一条指令，对于四地址指令而言，执行指令后，将PC的值修改为A4所指地址
n位地址码的直接寻址范围=2^n，若指令总长度固定不变，则地址码数量越多，寻址能力越差。
3.按指令长度分类
指令字长：一条指令的总长度(可能会变）
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进制代码位数(通常和MDR位数相同)
半字长指令、单字长指令、双字长指令---指令长度是机器字长的多少倍
指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令(32bit)需要两次访存
定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等
4.按操作码长度分类
定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同，若操作码固定为n位，表示这个系统最多能支持2^n条指令。
对于定长操作码指令系统，控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
优点：定长操作码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；
缺点：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。
可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变，对于可变长操作码指令系统，控制器的译码电路设计复杂但灵活性较高
若定长指令字结构+可变长操作码----扩展操作码指令格式，即不同地址数的指令使用不同长度的操作码
•扩展操作码
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。
举个例子：
若指令长度为16位，并且每个地址码占4位，若设置三地址指令，则地址码总共占3*4=12位 ，剩余4位来表示操作码，4位基本操作码若全部用于三地址指令，则有16（2^4）条。但至少须将1111留作扩展操作码之用，即三地址指令为15条
1111 1111留作扩展操作码之用，二地址指令为15条；CPU取得一条指令时，会直接读入16位，CPU根据开头4位是否为全1，判断是三地址指令或二地址指令，若开头4位是1111，后4位不为全1，则为二地址指令
同理，后4位为全1保留下来，作为一地址指令，一地址指令为15条，若前8位全为1，则为一地址指令
最后4位为0000~1111，前面12位全为1，因为已经不需要拓展了，所以零地址指令为16条
当然还有其他扩展操作码设计方法，这里只是其中一种。
所以在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点：
(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。
例如上面例子，二地址指令操作码为前8位，为长码，三地址指令的操作码为前4位，为短码，不允许短码是长码的前缀的含义为：这4位操作码不能为全1
(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。
再举一例扩展操作码的示例：
设指令字长固定为16位，若需要15条三地址指令，会留下1111作为扩展操作码：
需要12条二地址指令，则前4位为1111，紧接着后面4位为0000（0）~1011（11）总共12条
需要62条一地址指令，则黑框部分用于表示0~61，即用6位地址表示：000000~111101
需要32条零地址指令，最后5位刚好能表示0~31
按照上面的扩展操作码的设计，若CPU访问的指令最前4位不为全1，则说明这是一条三地址指令
若前4位为全1，再判断紧接着后面2位是否为1，若不为全1，则为二地址指令，若为全1，那么会继续检测后面紧跟的5位是否全为1，若不是，则为一地址指令，若是，则为零地址指令
对扩展操作码而言，若地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出 mx2^n 种状态
例如，对于三地址指令，需要用前4位表示操作码，表示2^4=16种状态，留出16-15=1种状态作为下一层的扩展
对于下一层的二地址指令而言，可以用1111+紧接着后4位的信息，表示这是哪一种状态的指令，2^4=16，而上一层留下的扩展状态为1种，所以总共能表示的状态为1*2^4=16种，而只需要12条二地址指令，所以16-12=4种状态会留到下一层
对于下一层的一地址指令而言，就有4*2^4=64种状态，所以会留出64-62=2种状态到下一层
对于零地址指令而言，就有2*2^4=32种状态
扩展操作码的特点：
优点：在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类；
缺点：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。
5.按操作类型分类
数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送
1.数据传送
LOAD作用：把存储器（源）中的数据放到寄存器（目的）中
STORE作用：把寄存器中的数据放到存储器中
运算类：
2.算术逻辑操作
算术：加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算
逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反
3.移位操作
算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)
程序控制类：改变程序执行的顺序
4.转移操作
无条件转移 JMP
条件转移 JZ：结果为0；JO：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
注：执行这一类的指令会导致程序计数器（PC）的值改变
输入输出类(I/O)：进行CPU和I/O设备之间的数据传送
5.输入输出操作
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）
6.指令寻址
计算机在执行指令时，是如何确定下一条指令的存放地址的呢?
（1）顺序寻址
对于定长指令字结构：
对于PC程序计数器，始终指向下一条指令的存放地址，若该系统采用定长指令字结构，指令字长存储字长=16bit=2B，主存按字编址，这样CPU每取走一条指令，只需要简单地给PC+1即可。
若该系统采用定长指令字结构，指令字长储字长=16bit=2B，主存按字节编址，这就意味着每一条指令占2个指令地址，那么程序计数器欲指向下一条指令的地址的话就需要：(PC)+2--->PC
对于变长指令字结构：
如图所示，具有相同颜色的存储字为1条指令，不同指令的指令字长不同，由于CPU无法确定当前指向的指令占多少存储字，在这种情况下，CPU会先读入一个字，根据操作码判断这条指令的总字节数n,修改PC的值。（PC）+n--->PC
根据指令的类型，CPU可能还要进行多次访存，每次读入一个字
（2）跳跃寻址
该系统采用定长指令字结构，指令字长=存储字长=16bit=2B，主存按字编址
如图所示，当执行到JMP指令时，同样会使得PC的值会自动+1，但是CPU执行指令时发现这是一条无条件转移指令， 下图中JMP对应的7表示的是下一条执行的指令存放在什么位置，类似于C语言中的goto语句，执行这条转移指令，PC的值将会修改为7，改变了程序的执行流，接下来，CPU会跳转到PC所指的位置继续执行指令。
7.数据寻址
在指令寻址中，解决了如何确定下一条 欲执行 指令 的 指令地址的问题，即始终由程序计数器PC给出。
而数据寻址则需要确定本条指令的地址码指明的真实地址。
若需要运行的程序是从主存地址为100的位置开始存储，若依然按照之前的方式解读地址码7，那么需要跳转到主存地址为7的位置，但实际上，应该跳转到主存地址为107的位置。这里的7我们可以理解为起始地址往后的偏移量
对于下图，我们又该如何理解？当CPU读取103主存地址的指令时，PC会自动+1，这里的3表示从PC所指的这个位置往后偏移3个地址，所以104+3=107，即下一条指令的地址
所以数据寻址方式有很多种：
为了区分是由哪种方式寻址，，通常会在地址码前，加入寻址方式位，来区分不同寻址方式：
对于一地址指令，形式地址根据不同的寻址方式解读，得到最终真实的地址，真实地址也称为有效地址（EA）
对于多指令地址，由于每个地址的寻址方式可能不同，所以会在每个形式地址前加入寻址方式位，用来区分不同的寻址方式：
这里我们以一地址指令为例，来讲解数据寻址方式，并且假设指令字长=机器字长=存储字长，操作数为3：
（1）直接寻址
对于直接寻址，结构如下：
中间的4位数用于表示采用的是直接寻址方式，而指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA=A。
这条取数指令执行的结果就是从CPU指明的地址中取数，并且存放到ACC中，如下图所示，要存放到操作数3，就直接存放在A指向的地址中
这条指令的执行一共需要2次访存，取指令需要访存1次，执行指令也需要访存1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。并且操作数的地址不易修改，若操作数寻址地址发生改变，那么这条指令指明的地址就会失效，即指向错误的主存地址，除非修改指令中的地址。
2）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)
如图所示，形式地址A指向的主存单元中存储了CPU需要访问的操作数的真实地址，也就是形式地址A指向的也是一个地址，这个地址是操作数真实地址。
采用这种寻址方式，执行一条指令需要3次访存，取指令需要执行访存1次，执行指令需要访存2次（第一次访存得到操作数的真实地址，第二次访存得到操作数）
这种方法具体的是一次间接寻址，当然也存在两次间接寻址，如下图所示中，存储单元的第一个bit位表示的是这一存储单元中存放的地址是否是操作数存放的地址，1表示这个存储单元中存放的地址不是操作数的真实地址，0表示这个存储单元中存放的地址是操作数的真实地址，那么他指向的存储单元中存放的就是操作数
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)。
例如，对于直接寻址，若形式地址有16位，那么操作数只能存放在0~(2^16)-1范围中，但是若采用间接寻址，A所指的地址单位EA中可以存更长的数据，例如32位数据，那么最终的数据可以存放的地址范围就为0~(2^32)-1
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，多次寻址需根据存储字的最高位确定几次访存)。会导致指令执行效率降低。
计算机组成原理（5）----指令系统(2)：https://developer.aliyun.com/article/1511500
