计组笔记 04 指令系统

第4章 指令系统

一、基本概念

• 指令系统：计算机能识别和执行的全部指令集合。
• 一条指令 = 操作码 (OPCODE) + 地址码
  • 操作码：规定要执行的操作（加、减、移位、逻辑、传送等）。
  • 地址码：给出操作数或操作数所在的存储单元/寄存器地址。
• 指令系统设计原则：完整性（功能齐全）、高效性（程序空间小、执行快）、规整性（统一、便于编译）。
• 指令执行周期：
  取指 → 译码 → 取数 → 执行 → 写回 → 中断处理（若有）。

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二、指令格式与分类

1. 按地址数分类

• 零地址指令：只含操作码（OPCODE），常用于栈结构。
• 一地址指令：OPCODE + A，A指示操作数地址或寄存器。
• 二地址指令：OPCODE + A1 + A2（常见，源+目的）。
• 三地址指令：OPCODE + A1 + A2 + A3（结果与源分开）。
• 多地址指令：多操作数，现代计算机较少使用。

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三、寻址方式

| 寻址方式 | 特征 | 公式 / 结果 | 优点 | 缺点 | | — | — | — | — | — | | 立即寻址 | 操作数直接在指令中给出 | EA = 操作数本身 | 快速，无访存 | 操作数范围有限 | | 直接寻址 | 地址码直接给出操作数在主存中的地址 | EA = A | 简单直观 | 访问速度慢 | | 隐含寻址 | 操作数隐含在寄存器（如 ACC）中 | EA = ACC | 指令短小 | 灵活性差 | | 间接寻址 | 地址码存放的是操作数地址的地址 | EA = (A) | 可扩展地址空间 | 需多次访存 | | 寄存器寻址 | 地址码指出寄存器号 | EA = Ri | 快速，节省指令长度 | 寄存器有限 | | 寄存器间接 | 地址码指出的寄存器中存放操作数地址 | EA = (Ri) | 节省指令长度 | 增加一次间接访存 | | 基址寻址 | 有专用基址寄存器，EA = BR + A | 程序可移动 | 需额外寄存器 | | | 变址寻址 | 有变址寄存器，EA = IX + A | 适合循环 | 灵活性差 | | | 相对寻址 | EA = (PC) + 偏移量disp | 实现转移 | 偏移量有限 | | | 堆栈寻址 | EA = (SP) 栈顶指针 | PUSH/POP 操作 | 结构简单，适合递归 | 访问不灵活 |

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四、CISC 与 RISC 对比

| 特征 | CISC（复杂指令集） | RISC（精简指令集） | | — | — | — | | 指令数 | 多（200+） | 少（约100以内） | | 指令长度 | 不固定 | 固定（一般 32 位） | | 执行周期 | 多周期，不统一 | 单周期为主 | | 访存方式 | 允许多次访存 | 只允许 load/store | | 编译器依赖 | 较少 | 严重依赖 | | 优点 | 功能强大，程序短小 | 执行快、流水线效率高 | | 缺点 | 执行时间不规则，硬件复杂 | 程序长，占内存大 |

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五、对比

• 基址寻址 vs 相对寻址
  • 基址：EA = BR + A（基址寄存器固定，适合多程序环境）。
  • 相对：EA = PC + disp（随PC变化，常用于转移）。
• 立即 vs 直接 vs 间接寻址
  • 立即：操作数在指令中。
  • 直接：地址码即操作数地址。
  • 间接：地址码指向一个存放操作数地址的单元。
• 堆栈 PUSH vs POP
  • PUSH：SP = SP - 1，存数据入栈顶。
  • POP：取栈顶数据，SP = SP + 1。
• CISC vs RISC
  • CISC：复杂指令、多周期，指令功能强大。
  • RISC：简单指令、单周期，流水线高效。

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六、习题与考点

1. 执行周期顺序：取指 → 译码 → 执行 → 写回。
2. 立即、直接、间接寻址的速度排序：立即 > 直接 > 间接。
3. 堆栈寻址结构：先进后出（FILO），用于子程序调用和中断。
4. 相对寻址主要用于：转移指令。
5. RISC 特点：单周期、load/store、指令少、流水线。
6. CISC 缺点：指令多样，执行时间不规则，不利于流水线。

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七、速记

• 指令格式口诀：零一二三多，操作码带走。
• 寻址方式口诀：
  • 立即数内存快，
  • 直接访问最直观；
  • 间接层层找，
  • 寄存器快又短；
  • 基址程序能移动，
  • 变址循环最常见；
  • 相对寻址做转移，
  • 堆栈递归靠它行。
• CISC vs RISC口诀：
  • CISC：指令多，周期长，执行不规则；
  • RISC：指令少，周期短，流水线高效。