指令系统

指令系统是从程序设计者看到的机器的主要属性，是软、硬件的主要界面。

• 指令系统是软件与硬件分界面的一个主要标志；
• 指令系统是软件与硬件之间互相沟通的桥梁；
• 指令系统与软件之间的语义差距越来越大；
• 指令系统的设计主要包括指令的功能（操作类型、具体操作内容）和指令格式的设计。

如何评价指令系统？

• 完备性：指令齐全、编程方便
• 高效性：占主存空间小，运行速度快
• 规整性
• 兼容性：向后兼容

一、指令的基本格式

存储模式：

1.数据存储顺序

大端存储：大部分RISC最低有效字节存储在最高地址位置

小端存储：Intel/AMD x86最低有效字节存储在最低地址位置

2.边界对齐

若边界未对齐，则存储效果变差

编译器会自动进行边界对齐。

3.堆栈

堆栈（栈）：后入先出

PUSH、POP指令

隐含寻址

管理堆栈：最栈指针寄存器

堆栈的典型应用：

• 作为临时存储区域
• CALL指令，保存返回地址
• 调用过程中，传递参数
• 过程内的局部变量

4.冯诺依曼结构和哈佛结构

指令功能的设计

指令的典型分类：

数据传送类；算术运算类；逻辑运算类；程序控制类（转移指令、循环控制指令、过程调用和返回指令、程序自中断指令）；系统控制类：（通常是特权指令，虚拟管理、任务切换）；数据转换类；输入/输出类。

基本寻址方式：指令获取操作数的方式

PC相对寻址：8位补码偏移量；适用于短跳转，比如小循环。

• 节省指令的存储空间。
• 与程序所在内存位置无关。

二、操作码的编码

指令长度设计

指令长度与机器字长无固定关系。

(1)定长操作码设计

一般原则

• 指令长度为存储器最小可寻址单位的整数倍：CISC
• 指令长度一般设计为总线宽度的整数倍：RISC

常用设计方案

• 变长操作码，变长指令码：CISC
• 定长操作码，定长指令码：RISC
  • MIPS，６位定长操作码，３２位定长指令码。
  • RISC-V，７位定长操作码，３２位定长指令码。

(2)霍夫曼编码

变长操作码的设计原则:

• 如果指令字长度固定,则长地址码对应短操作码,操作码长度随地址码长度缩短而增加.
• 如果指令字长度可变,则以指令使用频度作为设计依据,使用频度高的指令用短码,使用频度低的指令用长码–霍夫曼编码原理。
• 设计总是从短操作码开始，并要保证当前使用的操作码与未来要扩展的操作码能够有效区分。

原则:短码不能是长码的前缀。

(3)两种码长的扩展操作码

基于特定规则扩展操作码

根据地址码数量扩展操作码

练习

CISC与RISC

CISC：复杂指令集计算机结构

• 用一条指令代替一串指令
• 增加新的指令
• 增强指令功能，设置功能复杂的指令
• 增加寻址方式
• 增加数据表示方法

RISC：精简指令集计算机结构

• 只保留功能简单的指令
• 功能较复杂的之指令用软件实现
• 提高流水线效率

CISC指令系统存在的问题：

• 28定律：大约20%的指令占据了80%的处理指令时间。
• VLSI工艺要求规整性：RISC正好适应了VLSI工艺的要求。
• 复杂的指令使指令周期大大增长。

RISC的特点：

• 指令系统简单
  • 指令条数少、格式少、长度固定、功能简单
  • 寻址方式少
  • 采用硬布线控制逻辑（不用或少用微程序控制）
• Load/Store结构
  • 只有LOAD和STORE指令可以访问存储器
  • 寄存器多
  • 寄存器窗口技术
• 十分重视提高流水线的执行效率
  • 大部分指令可以单周期执行完成
  • 延迟转移技术
• 十分强调优化编译技术的作用

发展方向：RISC和CISC正逐渐融合。

• 随着芯片密度和硬件速度的提高，RISC系统已经越来越复杂。
• CISC设计也关注于RISC相同的技术焦点，如增加通用寄存器数量和更加强调指令流水线设计等。

典型指令系统

一、Intel CPU指令系统

二、MIPS 指令系统

1.MIPS 指令格式

2.MIPS64指令格式及指令示例