计算机组成原理，第7章：指令系统。
唐朔飞《计算机组成原理》（第3版）
第7章 指令系统
7.1 机器指令
7.1.1 指令的一般格式
指令：操作码+操作数（或其地址码）
(1) 操作码
操作码：反映机器做什么操作，有的指令集操作码长度固定，有的指令集操作码长度可变。
扩展操作码技术：是一种变长编码，就是让操作码的位数随地址数的减少而增加，从而充分利用固定的指令字长。扩展方法如下图所示：
也可以[15:12]位为1111和1110时都指示非4位操作码，这样三地址操作码减少了一种，但同时二地址操作码就多了$2^4=16$种。（不是15种，因为前缀为1110 1111的也是二地址操作码）
值得注意的是，操作码越短，译码就越快，因此设计指令集时，常用指令可以考虑多使用短操作码。
(2) 地址码
设四地址指令构成为：OP(8)-A1(6)-A2(6)-A3(6)-A4(6)，括号中表示该位段长度。它的含义为：(A1)OP(A2)→A3，下条指令地址为A4。
那么它一共需要4次访存：取值一次，取两个源操作数A1,A2两次，写回目的操作数地址A3一次。
7.1.2 指令字长
指令字长决定于：① 操作码长度；② 操作数地址的长度；③ 操作数地址的个数。
有的指令集指令字长固定（如MIPS 32固定为32位指令），有的指令集指令字长可变。
7.2 操作数类型和操作种类
7.2.1 操作数类型
| 含义 | 表示类型 |
|---|---|
| 地址 | 无符号整数 |
| 数字 | 定点数、浮点数、十进制数 |
| 字符 | ASCII |
| 逻辑数 | 逻辑运算 |
7.2.2 数据在存储器中的存放方式
就是小端序和大端序，以及对齐。
LSB：least significant bit，就是自然表示法下最右边的二进制位（最低位）。例如00101101中，LSB就是最右边的1。
MSB：most significant bit，就是自然表示法下最左边的二进制位（最高位）。例如00101101中，MSB就是最左边的0。
几乎所有机器都用字节编址。而一个数常常要占用多个字节，如有的机器中int类型的数据占用4个字节，那么这4个字节应当按照何种顺序在存储器中存放呢？或者说，它一共占用了4个地址，那么哪个地址是起始存放地址呢？这就是小端序与大端序的问题。我们以存放0x00010203和0x04050607为例：
简单理解，小端序就是不符合自然阅读习惯的存储方式，大端序就是符合自然阅读习惯的存储方式。
对齐：存储器地址按字节编址，各种不同长度的数据存放时，有两种处理方式：按边界对齐和不按边界对齐。
不按边界对齐虽然节省了空间，但是增加了访存次数，因为访存时只能从某个字节开始读到这一行的行末，比如上图中的x占了3行，因此需要访存3次。而按字节对齐时x仅需访存2次。
7.2.3 操作类型
(1) 数据传送
寄存器→寄存器(MOVE)，
寄存器→存储器(MOVE, STORE, PUSH)，
存储器→寄存器(MOVE, LOAD, POP)，
存储器→存储器(MOVE)。
(2) 算术逻辑操作
加、减、乘、除、位运算、浮点运算……
(3) 移位操作
算术移位、逻辑移位、循环移位。
(4) 转移
① 无条件转移 (JMP)
② 条件转移 (JZ, JO, JC, SKP)
③ 调用和返回 (函数的调用和返回)
函数调用和返回时，返回地址可存放于专用寄存器($ra/$31)、栈指针寄存器($sp/$29)或者子程序的入口地址内。
④ 陷阱(Trap)与陷阱指令
一般不提供给用户使用，在出现事故时由CPU自动产生并执行。
(5) 输入输出
7.3 寻址方式
寻址目的：确定本条指令的操作数地址、下一条欲执行指令的指令地址。
因此，寻址方式自然地分为两类：数据寻址和操作数寻址。
7.3.1 指令寻址
(1) 顺序寻址
(PC) + 1 → PC
(2) 跳跃寻址
由转移指令给出，如JMP 7表示跳转到7号地址。
7.3.2 数据寻址
记号：EA表示有效地址，即操作数的真实存储地址；A表示形式地址，即指令字中的地址。
(1) 立即寻址
A = 操作数
(2) 直接寻址
EA = A
(3) 隐含寻址
操作数地址隐含在操作码中。例如，ADD指令中，其中一个操作数隐含在ACC寄存器中。
(4) 间接寻址
EA = (A)
有一次间址和多次间址。一次间址是说EA = (A)，多次间址是说A1 = (A), A2 = (A1), …, EA = (An)。多次间址中，可以由取到数据的标志位判断间接寻址是否结束，例如用第一位为1表示未结束，第一位为0表示已结束。
(5) 寄存器寻址
EA = Ri，操作数在寄存器Ri中。
好处是不访存，只访问寄存器，执行速度快。
(6) 寄存器间接寻址
EA = (Ri)，有效地址在Ri中，操作数在存储器中。
便于编制循环程序。
(7) 基址寻址
① 采用专用寄存器作为基址寄存器
EA = (BR) + A，BR是基址寄存器（专用），操作数在存储器中。
② 采用通用寄存器作为基址寄存器
EA = (R0) + A，R0是用户指定的寄存器，操作数在存储器中。
无论是用BR还是R0作基址寄存器，在程序的执行过程中基址寄存器的内容不变，形式地址A可变。基址寻址有利于多道程序。
(8) 变址寻址
EA = (IX) + A，IX是变址寄存器（专用），操作数在存储器中。
在程序的执行过程中IX寄存器的内容可变，形式地址A不变。变址寻址便于处理数组问题。
(9) 相对寻址
EA = (PC) + A，A是相对于当前指令的位移量（可正可负，因此是补码表示）。相对寻址利于程序浮动（转移地址不固定，随PC值变化而变化）。
(10) 堆栈寻址
由专门的堆栈寄存器SP（指示栈顶位置）寻址。
总结寻址方式
| 名称 | 寻址方式 | 操作数位置 | 说明 | 应用 |
|---|---|---|---|---|
| 立即寻址 | 操作数 = A | 指令字 | 不访存；A的位数限制了立即数的取值范围；立即数可正可负，用补码表示 | |
| 直接寻址 | EA = A | 存储器 | 一次访存 | |
| 隐含寻址 | 隐含在操作码中 | 不定 | 可缩短指令字长 | |
| 间接寻址 | EA = (A) | 存储器 | 2次访存；分一次间址和多次间址；扩大寻址范围 | 编制程序 |
| 寄存器寻址 | EA = Ri | 寄存器 | 不访存 | |
| 寄存器间接寻址 | EA = (Ri) | 存储器 | 访存 | 编制循环程序 |
| 基址寻址 | EA = (BR) + A | 存储器 | 基址寄存器BR内容不变，形式地址A可变 | 多道程序 |
| 变址寻址 | EA = (IX) + A | 存储器 | 变址寄存器IS内容可变，形式地址A不变 | 处理数组问题 |
| 相对寻址 | EA = (PC) + A | 存储器 | 要跳转的地址和本条指令距离固定 | 利于程序浮动，广泛用于转移指令 |
| 堆栈寻址 | 栈指针寄存器SP指定 | 存储器 | 弹栈、压栈时SP的修改与主存编址方法有关 |
7.4 指令格式举例
7.4.1 设计指令格式时应考虑的因素
指令系统的兼容性；其他因素（操作类型，数据类型，指令设计时要采用的技术，指令字长是否固定，寻址方式，寄存器个数……）。
7.4.2 指令格式举例
PDP-8：访存类指令、I/O类指令、寄存器类指令。固定指令字长。采用扩展操作码技术。
PDP-11：16位、32位、48位三种指令字长。扩展操作码技术。
IBM 360：操作码长度固定。基址寻址、变址寻址。
Intel 8086：操作码长度不定。指令字长1~6字节不定。