5 、指令系统

一、指令的基本结构🧀

一条机器指令通常由两类字段组成：

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| 操作码 OP | 地址码或操作数字段 |

• 操作码：说明要执行什么操作，如加法、访存或转移。
• 地址码：说明操作数在哪里、结果写到哪里，或者直接给出操作数。

1、指令字长🧀

顺序执行时，PC 增加的是当前指令所占的字节数。若一条指令分别占 1、2、4 字节，且起始地址为 0x1，下一条指令地址分别为 0x2、0x3、0x5。

2、扩展操作码🧀

操作码长度固定时，能够表示的操作数量固定。扩展操作码让地址数较少的指令借用空出的地址字段表示更多操作。

二、寻址方式🧀

形式地址是指令地址字段中给出的值，有效地址 EA 是经过寻址计算后得到的实际操作数地址。设形式地址为 \(D\)，寄存器内容为 \((R)\)。

相对寻址、变址寻址和基址寻址都可以看作偏移寻址。三者的加法形式相似，区别在于寄存器的语义和主要用途。

三、指令类型🧀

常见机器指令可以分为：

• 数据传送：寄存器、主存和 I/O 设备之间传送数据，如 MOV、LOAD、STORE。
• 算术运算：加、减、乘、除及增量运算。
• 逻辑运算：与、或、异或、取反和位测试。
• 移位运算：逻辑移位、算术移位和循环移位。
• 程序控制：条件转移、无条件转移、循环控制、子程序调用和返回。
• 输入输出：显式 I/O 指令，或者通过存储器映射 I/O 完成访问。

对于补码定点数：

在固定位宽下，最高位产生的进位被丢弃；是否发生溢出要根据标志位判断。

1、常用状态标志🧀

有符号溢出的快速判断：

• 加法：两个同号数相加，结果与操作数异号。
• 减法：两个异号数相减，结果符号与被减数异常相反。

CF 的减法语义在不同指令集之间可能不同：有的体系把它定义为“发生借位”，有的保存“不借位”的进位输出。做题时应以题目或 ISA 的定义为准。

四、RISC 与 CISC🧀

RISC 并不意味着“每条指令都只用一个周期”，现代处理器中的访存、乘除法、缓存缺失和分支预测失败仍可能需要多个周期。

RISC-V 的具体指令格式已经在“RISC-V 汇编语言”章节中说明，这里不再重复。

五、指令格式计算例题🧀

某计算机字长为 16 位，主存地址空间为 \(128\,\text{KB}\)，按字编址，采用以下单字长指令：

1

| OP 4位 | Ms 3位 | Rs 3位 | Md 3位 | Rd 3位 |

• Ms/Rs：源操作数的寻址方式与寄存器编号。
• Md/Rd：目的操作数的寻址方式与寄存器编号。

1、位数分析🧀

• 操作码 4 位，最多表示 \(2^4=16\) 条指令。
• 寄存器编号 3 位，最多表示 \(2^3=8\) 个寄存器。
• 主存按 16 位字编址，\(128\,\text{KB}/2\,\text{B}=64K=2^{16}\) 个字，因此 MAR 至少 16 位。
• 一个存储字为 16 位，因此 MDR 至少 16 位。

2、机器码分析🧀

已知 add 操作码为 0010B，求 add (R4), (R5)+ 的机器码：

1
2
3

OP       = 0010
Ms / Rs  = 001 / 100
Md / Rd  = 010 / 101

拼接后得到：

若 \(R4=1234_H\)、\(R5=5678_H\)、\(M[1234_H]=5678_H\)、\(M[5678_H]=1234_H\)，则：

目的操作数使用自增寻址，因此执行后：