4.2.1扩展阅读——指令系统详述资料文件与下载

指令系统是计算机硬件的语言系统，也叫机器语言，指机器所具有的全部指令的集合，它是软件和硬件的主要界面，反映了计算机所拥有的基本功能。从系统结构的角度看，它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能，决定了机器所要求的能力，也决定了指令的格式和机器的结构。设计指令系统就是要选择计算机系统中的一些基本操作(包括操作系统和高级语言中的)应由硬件实现还是由软件实现，选择某些复杂操作是由一条专用的指令实现，还是由一串基本指令实现，然后具体确定指令系统的指令格式、类型、操作以及对操作数的访问方式。

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如：操作码字段+地址码字段，其中操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作数或操作数的地址。

1.指令格式

计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能都有很大的关系。从便于程序设计、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度来看，指令中应包含多种信息。但在有些指令中，由于部分信息可能无用，这将浪费指令所占的存储空间，并增加了访存次数，也许反而会影响速度。因此，如何合理、科学地设计指令格式，使指令既能给出足够的信息，又使其长度尽可能地与机器的字长相匹配，以节省存储空间，缩短取指令时间，提高机器的性能，这是指令格式设计中的一个重要问题。

计算机是通过执行指令来处理各种数据的。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作，一条指令必须包含下列信息：

（1）操作码。它具体说明了操作的性质及功能。一台计算机可能有几十条至几百条指令，每一条指令都有一个相应的操作码，计算机通过识别该操作码来完成不同的操作。

（2）操作数的地址。CPU通过该地址就可以取得所需的操作数。

（3）操作结果的存储地址。把对操作数的处理所产生的结果保存在该地址中，以便再次使用。

（4）下条指令的地址。执行程序时，大多数指令按顺序依次从主存中取出执行，只有在遇到转移指令时，程序的执行顺序才会改变。为了压缩指令的长度，可以用一个程序计数器（Program Counter，PC）存放指令地址。每执行一条指令，PC的指令地址就自动+1（设该指令只占一个主存单元），指出将要执行的下一条指令的地址。当遇到执行转移指令时，则用转移地址修改PC的内容。由于使用了PC，指令中就不必明显地给出下一条将要执行指令的地址。

一条指令实际上包括两种信息即操作码和地址码。操作码（Operation Code，OP）用来表示该指令所要完成的操作（如加、减、乘、除、数据传送等），其长度取决于指令系统中的指令条数。地址码用来描述该指令的操作对象，它或者直接给出操作数，或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址（即寄存器名）。

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如：操作码字段+地址码字段，其中操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作数或操作数的地址。

各计算机公司设计生产的计算机，其指令的数量与功能、指令格式、寻址方式、数据格式都有差别，即使是一些常用的基本指令，如算术逻辑运算指令、转移指令等也是各不相同的。因此，尽管各种型号计算机的高级语言基本相同，但将高级语言程序（例如Fortran语言程序）编译成机器语言后，其差别也是很大的。因此将用机器语言表示的程序移植到其他机器上去几乎是不可能的。从计算机的发展过程已经看到，由于构成计算机的基本硬件发展迅速，计算机的更新换代是很快的，这就存在软件如何跟上的问题。大家知道，一台新机器推出交付使用时，仅有少量系统软件（如操作系统等）可提交用户，大量软件是不断充实的，尤其是应用程序，有相当一部分是用户在使用机器时不断产生的，这就是所谓第三方提供的软件。

2.指令分类

（1）数据处理指令：包括算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、比较指令等。

（2）数据传送指令：包括寄存器之间、寄存器与主存储器之间的传送指令等。

（3）程序控制指令：包括条件转移指令、无条件转移指令、转子程序指令等。

（4）输入－输出指令：包括各种外围设备的读、写指令等。有的计算机将输入－输出指令包含在数据传送指令类中。

（5）状态管理指令：包括诸如实现置存储保护、中断处理等功能的管理指令。

3.复杂指令系统与精简指令系统

3.1复杂指令系统(CISC)

早期的计算机，存储器是一个很昂贵的资源，因此希望指令系统能支持生成最短的程序。此外，还希望程序执行时所需访问的程序和数据位的总数越少越好。在微程序出现后，将以前由一串指令所完成的功能移到了微代码中，从而改进了代码密度。此外，它也避免了从主存取指令的较慢动作，从而提高执行效率。在微代码中实现功能的另一论点是:这些功能可以较好的支持编译程序。如果一条高级语言的语句能被转换成一条机器语言指令，这可使编译软件的编写变得非常容易。此外，在机器语言中含有类似高级语言的语句指令，便能使机器语言与高级语言的间隙减少。这种发展趋向导致了复杂指令系统(CISC)设计风格的形成，即认为计算机性能的提高主要依靠增加指令复杂性及其功能来获取。

CISC指令系统的主要特点是:

（1）指令系统复杂。具体表现在以下几个方面:

①指令数多，一般大于100条。

②寻址方式多，一般大于4种。

③指令格式多，一般大于4种。

（2）绝大多数指令需要多个机器时钟周期方可执行完毕。

（3）各种指令都可以访问存储器。

CISC指令系统主要存在如下三方面的问题:

（1）CISC中各种指令的使用频度相差很悬殊，大量的统计数字表明，大约有20%的指令使用频度比较高，占据了80%的处理机时间。换句话说，有80%的指令只在20%的处理机运行时间内才被用到。

（2）VLSI的集成度迅速提高，使得生产单芯片处理机成为可能。在单芯片处理机内，希望采用规整的硬布线控制逻辑，不希望用微程序。而在CISC处理机中，大量使用微程序技术以实现复杂的指令系统，给VLSI工艺造成很大困难。

（3）虽然复杂指令简化了目标程序，缩小了高级语言与机器指令之间的语义差距，然而增加了硬件的复杂程度，会使指令的执行周期大大加大，从而有可能使整个程序的执行时间反而增加。

3.2精简指令系统(RISC)

由于CISC技术在发展中出现了问题，计算机系统结构设计的先驱者们尝试从另一条途径来支持高级语言及适应VLSI技术特点。1975年IBM公司JohnCocke提出了精简指令系统的设想。到了1979年，美国加州大学伯克莱分校由Patterson教授领导的研究组，首先提出了RISC这一术语，并先后研制了RISC-Ⅰ和RISC-Ⅱ计算机。1981年美国的斯坦福大学在Hennessy教授领导下的研究小组研制了MIPSRISC计算机，强调高效的流水和采用编译方法进行流水调度，使得RISC技术设计风格得到很大补充和发展。

90年代初，IEEE的MichaelSlater对于RISC的定义作了如下描述:RISC处理器所设计的指令系统应使流水线处理能高效率执行，并使优化编译器能生成优化代码。

RISC为使流水线高效率执行，应具有下述特征:

（1）简单而统一格式的指令译码;

（2）大部分指令可以单周期执行完成;

（3）只有LOAD和STORE指令可以访问存储器;

（4）简单的寻址方式;

（5）采用延迟转移技术;

（6）采用LOAD延迟技术。

RISC为使优化编译器便于生成优化代码，应具有下述特征:

（1）三地址指令格式;

（2）较多的寄存器;

（3）对称的指令格式。

RISC的主要问题是编译后生成的目标代码较长，占用了较多的存储器空间。但由于半导体集成技术的发展，使得RAM芯片集成度不断提高和成本不断下降，目标代码较长已不成为主要问题。RISC技术存在另一个潜在缺点是对编译器要求较高，除了常规优化方法外，还要进行指令顺序调度，甚至能替代通常流水线中所需的硬件联锁功能。