计算机组成原理：指令系统

计算机组成原理笔记：指令系统

一、指令格式

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1. 基本构成​​

指令 = 操作码 + 地址码

部分	功能
操作码（Opcode）	表示该指令要执行的操作类型，如加、减、乘、除、数据传送等。 其长度取决于指令系统的总指令数（例如：若共有 2^n 条指令，则需 n 位操作码）。
地址码（Address Code）	指出操作数的位置或值本身。 可以是直接给出操作数（立即数），也可以是指向寄存器或内存地址的地址信息。

示例：

​ADD R1, R2：操作码表示“加法”，地址码为两个寄存器名。

​MOV A, #5：操作码表示“传送”，地址码中包含立即数 5。

二、基本指令格式

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1. 按地址码数目分类

类型	格式	特点	典型应用
三地址指令	OP A₁ A₂ A₃	三个地址分别指向两个源操作数和一个目的地址 结构清晰，但指令长	多用于早期计算机或教学模型
二地址指令	OP A₁ A₂	A₁ 是第一个操作数，A₂ 是第二个操作数兼结果存储位置 最常见格式	如：ADD R1, R2 → R1 ← R1 + R2
一地址指令	OP A	A 既是操作数地址，也是结果存放地址 节省空间，但灵活性差	加1、减1、移位等单操作数指令
零地址指令	OP	无地址字段，不涉及具体操作数 常用于控制类指令	空操作（NOP）、停机（HLT）、关中断等

注意：

在一地址指令中，隐含一个操作数（如累加器 ACC）。同时，零地址指令通常依赖堆栈结构实现（如 PUSH, POP）。

2. 按指令长度分类

类型	定义	优点	缺点	应用场景
定长指令字结构	所有指令长度相同	控制简单，取指速度快，硬件设计容易	指令功能受限，浪费空间	RISC 架构（如 MIPS）
变长指令字结构	不同指令长度不同	更灵活，可压缩常用指令，提高效率	控制复杂，取指困难	CISC 架构（如 x86）

3. 按功能分类（7大类）

类别	说明	典型指令
数据传送类	实现主存与CPU之间、寄存器之间的数据交换	LOAD, STORE, MOV
算术运算类	执行基本数学运算	ADD, SUB, MUL, DIV
位操作类	对二进制位进行逻辑处理	AND, OR, XOR, NOT, SHL, SHR
I/O类	控制输入输出设备	IN, OUT
串操作类	处理字符串或数组	MOVS, CMPS, SCAS
CPU控制类	控制处理器运行状态	CLI, STI, HLT
转移类	改变程序执行顺序	JMP, CALL, RET, BRANCH

LOAD：从存储器读取数据到寄存器（如：LOAD R1, [1000H]）

STORE：将寄存器内容写入存储器（如：STORE [2000H], R1）

三、操作数类型及操作类型

1. 操作数类型

类型	描述	示例
立即数	操作数直接出现在指令中	​ADD R1, #5​
寄存器	操作数在寄存器中	​ADD R1, R2​
直接寻址	地址字段直接给出操作数的物理地址	​MOV R1, [1000H]​
间接寻址	地址字段指向另一个地址，该地址才是操作数所在位置	​MOV R1, [R2]​
寄存器间接寻址	寄存器中保存的是操作数地址	​MOV R1, [BX]​
基址寻址	EA = 基址寄存器 + 偏移量	​MOV R1, [BX+100H]​
变址寻址	EA = 变址寄存器 + 偏移量	​MOV R1, [SI+10H]​
相对寻址	EA = PC + 偏移量	​JMP +100​
堆栈寻址	使用栈顶指针 SP 访问数据	​PUSH R1, POP R2​

⚠️区分关键：

基址 vs 变址：

• 基址：固定段基址 + 偏移 → 用于模块定位
• 变址：动态索引 + 偏移 → 用于数组遍历

间接寻址 vs 寄存器间接寻址：

• 间接：内存中存地址；寄存器间接：寄存器中存地址

2. 操作类型总结

类型	功能	代表指令
数据传送类	CPU与主存/寄存器间数据传输	LOAD, STORE, MOV
算术运算类	数值计算	ADD, SUB, MUL, DIV
逻辑运算类	位级操作	AND, OR, XOR, NOT
控制转移类	改变程序流程	JMP, CALL, RET, BRANCH
I/O类	与外部设备交互	IN, OUT
串操作类	字符串批量处理	MOVS, CMPS
CPU控制类	控制CPU内部状态	HLT, CLI, STI

四、寻址方式

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1. 基本概念

数据寻址：指令执行时，根据地址码字段确定操作数真实位置的过程。
目标是计算出有效地址 EA（Effective Address） ，进而取出操作数。

操作数可能来自：

• 指令本身（立即数）
• 寄存器
• 主存（需地址访问）

2. 8种常见寻址方式

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图示	名称	EA计算公式	是否访存	特点与用途
(a)	隐含寻址	固定寄存器（如AC）	❌	指令不写地址，操作数默认在指定寄存器中，如 INC AC​
(b)	立即寻址	EA = D（指令中的数）	❌	操作数直接写在指令里，如 ADD R1, #5，速度快但不可变
©	直接寻址	EA = A（地址字段）	✅	地址A直接指向内存单元，如 MOV R1, [1000H]，简单但地址空间受限
(d)	间接寻址	EA = (A)	✅×2	地址A指向“地址的地址”，支持指针，如链表访问，速度慢
(e)	寄存器寻址	EA = R（寄存器内容）	❌	操作数在寄存器中，如 ADD R1, R2，速度最快，最常用
(f)	寄存器间接寻址	EA = ®	✅	寄存器R中存的是地址，如 MOV AX, [BX]，适合数组遍历
(g)	偏移寻址	EA = ® + A	✅	基址/变址 + 偏移，如 MOV AX, [BX+SI+100H]，支持模块化和数组
(h)	堆栈寻址	EA = SP（栈顶）	✅	自动管理栈顶，用于函数调用、中断，如 PUSH/POP​