指令系统
概述
指令是计算机处理的最基本单位，采取多周期实现方案
操作码 + 操作数
取指令，译码/取寄存器，执行/有效地址/完成分支，访问内存，存储结果
指令表示
指令由一个位串来表示
指令格式：对于指令的个要素，这个位串划分成几个字段
- 大多数指令集使用不止一种指令格式
机器指令符号表示法：
操作码缩写成助记符，比如 ADD、SUB 等
操作数也可以用符号表示
- 寄存器编号或内存地址
操作码
所有计算机上都会存在相同的常用操作类型，比如数据传送、算数运算、逻辑运算、转换、输入/输出、系统控制、控制转移
操作数
常见类型：地址、数值、字符、逻辑数据
地址
一个指令需要有4个地址引用：2个源操作数,1个目的操作数、1个下一指令地址
- 下一指令地址是隐含的
每条指令中的地址数目越少，指令的长度越短，不需要复杂的CPU，但是程序总的指令条数更多，执行时间更长，程序更长更复杂
数值
计算机存储的数值是受限的
字符
国际参考字母表IRA / 美国信息交换标准码ASCII：每个字符被表示为唯一的7位二进制串
扩展的二进制编码的十进制交换码EBCDIC：8位编码
统一码Unicode：16位/32位
逻辑数据
将一个n位单元看成是由n个1位项组成，每一项有值0或1
大端序和小端序
大端序：把数据高位放在低地址
小端序：把数据低位放在低地址
两种策略中每个数据项有同样地址
端序不影响结构中的数据项的次序
操作数的引用
寻址方式：立即寻址、直接寻址、简介寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、偏移寻址、栈寻址
记号：
A：指令中地址字段的内容
R：指向寄存器的指令地址字段的内容
EA：被访问位置的实际地址
(X)：存储器位置X或寄存器X的内容
立即寻址
操作数实际出现在指令中
除了取指令之外，获取操作数不要求另外的存储器访问
数的大小受限于地址字段的长度
直接寻址
地址字段含有操作数的有效地址
只要求1次存储器访问，且无需为生成地址而专门计算
地址空间有限
间接寻址
地址字段指示一个存储器字地址，而此地址保存有操作数的全长度地址
第一层地址指向第二层的实际地址
扩大了地址空间
取操作数需要2次访问存储器
寄存器寻址
地址字段指示的是寄存器
寄存器存的是操作数
指令中仅需要一个较小的地址字段，而不需要存储器访问
地址空间十分有限
寄存器间接寻址
地址字段指示寄存器
寄存器存的是操作数地址
扩大地址空间，比间接寻址少1次存储器访问
相对于寄存器寻址，需要多1次存储器访问
偏移寻址
结合直接寻址和寄存器间接寻址能力
- 实际地址：寄存器存放的地址 + 直接指示的地址
相对寻址
隐含引用的寄存器是程序计数器（PC）
- 实际地址：下一条指令的地址 +直接指示的地址
基址寄存器寻址
引用的寄存器含有一个存储器地址，地址字段含有偏移量（通常是无符号整数）
实际地址：寄存器存放的地址 + 直接指示的偏移量
寄存器引用可以是显式的，也可以是隐式的
变址寻址
指令地址字段引用一个主存地址，被引用的寄存器含有的对该地址的一个正的偏移量
- 实际地址：直接指示的地址 + 寄存器存放的偏移量
栈寻址
栈指针保存在寄存器中，对寄存器中栈位置的访问实际上是一种寄存器间接寻址方式
- 与栈相关的是一个指针，它的值是栈顶地址，或者当栈顶的两个元素已在CPU寄存器内，此时栈顶指针指向栈顶的第三个元素
指令格式
指令格式通过它的各个构成部分来定义指令的位安排
一个指令格式必须包含一个操作码，以及显式或隐式的、零个或多个操作数
必须显式或隐式地为每个操作数指定其寻址方式
大多数指令集使用不止一种指令格式
设计原则
指令尽量短
- 占用存储空间小
有足够的操作码位数
- 要为操作类型不断增加预留
操作码地编码必须有唯一的解释
指令长度是字节地整数倍
- 内存是按字节寻址
合理选择地址字段的个数
指令尽量规整
指令长度
指令长度应该是字符长度或定点数长度的整数倍
指令长度应该等于存储器的传送长度（数据总线宽度）
- 或者这两个值其中之一是另一个的整数倍
最明显的权衡考虑是在强有力的指令清单和节省空间之间进行
编程人员希望更多的操作码、更多的操作数、更多的寻址方式和更大的地址范围
指令长度变短可以节省存储空间和减少数据传送时间
位的分配
对于给定的指令长度，在操作码数目和寻址能力之间存在着权衡考虑
使用变长的操作码
- 使用一个最小操作码长度，但是对于某些操作码，可以使用指令附加位的方式来指定附加的操作
使用寻址位的考虑因素
寻址方式的种数、操作数的数量、寄存器与存储器比较、寄存器组的数目、地址范围、寻址粒度
能用于操作数引用的寄存器越多，指令需要的位数越少
对于固定数目的寄存器，功能上的分开将是指令只需较少的位数
使用较大的字时，需要的地址位更少
变长指令
提供不同长度的各种指令格式
- 取至少等于最长指令长度的几个字节或几个字
优点：
易于提供大的操作码清单，而操作码具有不同的长度
寻址方式能更灵活，指令格式能将各种寄存器和存储器引用加上寻址方式予以组合
缺点：
- 增加了CPU的复杂程度
指令集设计
指令集：定义了处理器应完成的多数功能，对处理器的实现有着显著的影响，是程序员控制处理器的方式，设计时必须考虑程序员的要求
设计基本原则：
完备性/完整性
- 操作类型应当尽可能完备，但是太复杂也会给硬件实现增加困难
兼容性
- 应当兼容以前的指令系统，为软件重复利用带来方便
均匀性
- 应当能对多种类型的数据进行处理
可扩充性
- 操作码要预留一定的编码空间
设计的基本问题：
操作指令表
数据类型
指令格式
寄存器
寻址方式
下一条指令地址的确定
指令周期
简单指令周期
当且仅有当机器关闭，不可被恢复的错误发生或者程序指令停止了计算机时，程序执行才会停止，不然操作系统的执行是不会停止的
指令周期：处理单个指令的过程
取指周期：从内存中获取指令
执行周期：执行所提取的指令
指令周期状态图：
从内存中取指令
解析指令获取操作码
获取操作数
含有中断的指令周期
开中断时响应中断（Interupt enable）
- 每执行完成一次指令后要check有无中断并且进行处理
关中断的时候不响应中断
指令周期状态图：
间址周期
指令的执行可能涉及一个或多个存储器中的操作数，它们都要求一次存储器访问
- 使用间接寻址，还需要额外的存储器访问
间址周期：把简介地址的读取看成是一个额外的指令子周期
