《计算机组成原理》课程笔记（五）——指令的组成与格式 从这节开始，我们进入指令系统的讲解。首先讲解指令的格式。 一、机器指令的格式 1.机器指令的含义和组成： 一条机器指令是一组有意义的二进制代码，是一串高低电平信号，用来指挥计算机运作，表示计算机中的一条命令。 一条指令包含操作码和地址码两部分。操作码表示指令的操作和功能，用来告诉计算机来做什么操作，地址码表示操作数的地址或者操作数本身，用来告诉计算机操作的对象，以及这些对象的地址等信息。
图5-2 机器指令的组成 2.机器指令的长度： 一条机器指令的长度与机器字长没有固定关系。机器指令的长度可以等于机器字长，称为单字长指令；也可以等于半个机器字长，称为半字长指令；还可以等于两个机器字长，称为双字长指令。 几个概念：定长指令字结构：一个指令系统中的所有指令长度均相等，简单但不灵活。变长指令字结构：指令系统中指令的长短各异，灵活但复杂。
图5-3 几种指令在内存中的存储 二、指令的地址码结构 一般的计算机运算指令要包含以下这些内容： 第一个操作数或者其地址
； 第二个操作数或者其地址 ； 需要对操作数进行的操作 ； 计算结果的存放地址 ； 下一条指令的地址 。 例如：我们让计算机执行一个1+2=3的指令。首先需要让计算机取出操作数1( )；然后再取出操作数2( )；之后将两者送到运算器中进行加和( )运算；运算的结果放入主存的某个单中( )；之后再取出下一条指令( )，这个过程一般可以表示为 。（我们约定，如果 中存储的是操作数的地址，则用 表示其地址，用 表示操作数本身；如果 中存储的是操作数本身，则直接用 表示操作数） 除了操作 外，另外的4个地址信息均需要在地址码中体现。 下面有几种常用的地址码格式： 1.四地址指令： 上文提到的四个地址均有在地址码部分给出，这样的指令称为四地址指令。其指令格式如下图所示：
图5-4 四地址指令 表示为 即对 与 内的数据进行操作后，结果存储到 中，然后执行 中的指令。 四地址指令需要访问4次内存：取指令一次，取第一操作数一次，取第二操作数一次，保存操作数一次。 2.三地址指令： 三地址指令省略了 ：下一条指令的地址。由于大多数指令是按主存中的顺序执行的，因此可以采用一个程序计数器( )来记录指令的地址，每当执行下一条指令时， 的值自加1。这样的话，就可以省略掉第四个地址，得到三地址指令。如下图所示：
图5-5 三地址指令 表示为 （隐含） 即 即对 与 内的数据进行操作后，结果存储到 中，然后 自加，顺序执行下一条指令。 例如，加操作：ADD A B X;(A+B送到X中) 与四地址指令相同，三地址指令也需要访问4次内存。 3.二地址指令： 如果第一个操作数地址与结果存放地址相同，即 与 相同，则可以省略掉 ，称为二地址指令。如下图所示：
图5-6 二地址指令 表示为 （隐含） 即对 与 内的数据进行操作后，结果仍然存储到 中，然后 自加，顺序执行下一条指令。 同三地址指令相同，执行二地址指令同样也需要访问4次内存。 4.一地址指令： 如果我们进一步把另外一个操作数省略，那么就可以得到一地址指令。
图5-7 一地址指令 通常来说，一地址指令有如下两种情况： （1）另一个被省略的操作数由内存外的累加寄存器 ——一般用来暂存ALU运算的结果。 指令可以表示为 （隐含） 即 中的数据与 中的数据共同送到运算器中做运算，其运算的结果保存在 中。之后 自增，继续顺序执行下一条指令。 这种类型的一地址指令通常只需要访问2次内存：存内存中取指令一次，从内存中取操作数一次，因为不需要把结果存入内存中，所以只需要访问两次。 （2）只是针对 内数据执行加一、减一、求反、求补等单操作数指令。 指令可以表示为 （隐含） 即只对 中的数据进行操作，然后将结果存入 中。之后 自增，继续顺序执行下一条指令。 这种类型的一地址指令需要访问3次内存：从内存中取指令一次，从内存中取操作数一次，将计算后的结果放入内存中一次。 5.零地址指令： 零地址指令只有操作码，没有地址码。
图5-8 零地址指令 零地址指令常用在堆栈的压入和弹出操作上，比如可以用 操作码来表示将数据压入栈中，用 操作码来表示将数据弹出栈。通过这些功能可以实现原有的三操作数命令。比如连续两次pop出的数据可以默认地进入算术逻辑单进行运算，然后运算的结果再次被push入栈中。 不同地址指令的长度、执行速度不一样，适用的场景也不一样。一般来说，访问主存的次数越少，执行速度越快。计算机中有大量的寄存器，访问寄存器要比访问主存速度快很多。因此，操作数蕴含在寄存器中的指令（一地址指令）执行速度会更快。 三、指令的操作码 1.规整型（定长编码）： 定长编码操作码的长度和位置是固定的， 操作码位数越多，能够表示的指令条数越多。如果操作码位数为 ，则最多能表示 条不同操作的指令。同样，如果想要表示 条不同操作的指令，则最少需要的操作码位数是 。例如，IBM370机的操作码为定长8位，最多可以表示256条指令，但IBM370只有183条指令有效，其他剩余的指令称为非法操作码。 2.非规整型（变长编码）： 变长编码操作码的位数和位置不固定，可以使指令更加灵活，同时使得一定位数的操作码能够表示更多的指令。此外，由于当指令长度一定时，操作码和地址码的长度是相互制约的，此时就需要使得操作码能够更加灵活一些。 常用的变长编码方式有扩展操作码法： 假设指令的长度为固定的16位，且每个地址长度为4位。 则对于三地址指令来说，操作码只有4位。这时，我们可以使用0000~1110的15个操作码来表示15条不同操作的三地址指令。余下的1111用来扩展。 对于二地址指令来说，操作码有8位。我们利用前面剩下的1111来继续扩展操作码——使用1111 0000~1111 1110的操作码来表示15条不同操作的二地址指令。剩下的1111 1111同样用来扩展。 对于一地址指令来说，操作码为12位。我们继续利用前面剩下的1111 1111扩展操作码，使用1111 1111 0000~1111 1111 1110表是15条不同操作的一地址指令。剩下的1111 1111 1111同样用来扩展。 同理，对于零地址指令来说，操作码为16位，等于指令长度，我们使用前面剩下的1111 1111 1111来扩展，于是1111 1111 1111 0000~1111 1111 1111 1111可以表示16条不同操作的零地址指令。 如下图所示：
图5-9 扩展指令码 扩展指令码有一些规则：不允许短码是长码的前缀。各条指令的操作码不能重复。
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