计算机组成原理重要知识点摘录（考研用）——第四章：指令系统

本文参考于《2021年计算机组成原理考研复习指导》（王道考研），《计算机组成原理》

4.1.3 扩展操作码指令格式

为了在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类，可采取可变长度操作码，即全部指令的操作码字段的尾数不固定，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，它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。下图为一种扩展操作码的安排方式：

在图中，指令字长为16位，其中4位为基本操作码字段OP，另有3个4位长的地址字段A1、A2、A3。图中所示的三地址指令为15条，1111留作扩展操作码之用；二地址指令15条，1111 1111留作扩展操作码之用；一地址指令为15条，1111 1111 1111留作扩展操作码之用；零地址指令为16条。
除这种安排外，还有其他多种扩展方法，如形成15条三地址指令、12条二地址指令、63（3×16+15）条一地址指令和16条零地址指令。
在设计扩展操作码指令格式时，须注意：
（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。

7.相对寻址

相对寻址是把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，即EA=（PC）+A，其中A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。

A的位数决定操作数的寻址范围。
相对寻址的优点是操作数的地址不是固定的，它随PC值的变化而变化，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。相对寻址广泛用于转移指令。

对于转移指令JMP A，当CPU从存储器中取出一字节时，会自动执行（PC）+1——>PC。若转移指令的地址为X，占2B，则在取出该指令后，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。

8.基址寻址

基址寻址是指将CPU中基址寄存器（BR）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，即EA=（BR）+A。其中基址寄存器既可采用专用寄存器，又可采用通用寄存器。（基址寄存器可采用隐式的和显式的两种。所谓隐式，是在计算机内专门设有一个基址寄存器BR，使用时用户不必明显指出该基址寄存器，只需由指令的寻址特征位反映出基址寻址即可。显式是在一组通用寄存器里，由用户明确指出哪个寄存器作为基址寄存器）

基址寄存器是面向OS的，其内容由OS或管理程序确定，主要用于解决程序逻辑空间与存储器物理空间的无关性。在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变（作为基地址），形式地址可变（作为偏移量）。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OS确定。

基址寻址的优点是可扩大寻址范围（基址寄存器的位数大于形式地址A的位数）；用户不必考虑自己的程序存于主存的哪个空间区域，因此有利于多道程序设计，并可用于编制浮动程序，但偏移量（形式地址A）的位数较短。

基址寻址在多道程序中极为有用。用户可不必考虑自己的程序存于主存的哪一空间区域，完全可由OS或管理程序根据主存的使用情况，赋予基址寄存器内一个初始值（即基地址），便可将用户程序的逻辑地址转化为主存的物理地址（实际地址），把用户程序安置于主存的某一空间区域

9.变址寻址

变址寻址是指有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容之和，即EA=（IX）+A，其中IX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，变址寄存器的内容可由用户改变（作为偏移量），形式地址A不变（作为基地址）。
变址寻址的优点是可扩大寻址范围（变址寄存器的位数大于形式地址A的位数）；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。偏移量（变址寄存器IX）的位数足以表示整个存储空间。
变址寻址与基址寻址的有效地址形成过程极为相似。但从本质上来讲，两者有较大区别。基址寻址面向系统，主要用于为多道程序或数据分配存储空间，因此基址寄存器的内容通常由OS或管理程序确定，在程序的执行过程中其值不可变，而指令字中的A是可变的；变址寻址立足于用户，主要用于处理数组问题，在变址寻址中，变址寄存器的内容由用户设定，在程序执行过程中其值可变，而指令字中的A是不可变的。

各常见指令寻址方式的特点和适用情况：
立即寻址操作数获取便捷，通常用于给寄存器赋初值
直接寻址相对于立即寻址，缩短了指令长度
间接寻址扩大了寻址范围，便于编制程序，易于完成子程序返回
寄存器寻址的指令字较短，指令执行速度较快
寄存器间接寻址扩大了寻址范围
基址寻址扩大了操作数寻址范围，适用于多道程序设计，常用于为程序或数据分配存储空间
变址寻址主要用于处理数组问题，适合编制循环程序
相对寻址用于控制程序的执行顺序、转移等

指令系统朝两个截然不同的方向发展：一是增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令实现软件功能的硬化，这类机器称为复杂指令系统计算机（CISC）。典型的有采用X86架构的计算机；二是减少指令种类和简化指令功能，提高指令的执行速度，这类机器称为精简指令系统计算机（RISC），典型的有ARM，MIPS架构的计算机。

4.3.1 复杂指令系统计算机（CISC）

CISC的主要特点：
（1）指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上
（2）指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多
（3）可以访存的指令不受限制
（4）各种指令使用频度相差很大
（5）各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成
（6）控制器大多数采用微程序控制。有些指令非常复杂，以至于无法采用硬连线控制
（7）难以用优化编译生成高效的目标代码程序

4.3.2 精简指令系统计算机（RISC）

精简指令系统计算机（RISC）的中心思想是要求指令系统简化，尽量使用寄存器-寄存器操作指令，指令格式力求一致。RISC的主要特点如下：
（1）选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现
（2）指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少
（3）只有Load/Store（取数/存数）指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行
（4）CPU中通用寄存器的数量相当多
（5）RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成
（6）以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制
（7）特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间
从指令系统兼容性来看，CISC大多能实现软件兼容，即高档机包含了低档机的全部指令，并可加以扩充。但RISC简化了指令系统，指令条数少，格式也不同于老机器，因此大多数RISC机不能与老机器兼容。