【筆記】指令系統（一）
一、機器指令
每一條機器語言的語句稱為機器指令，而又將全部機器指令的集合稱為機器的指令系統。
1.指令的一般格式
指令是由操作碼和地址碼兩部分組成的。
操作碼
操作碼用來指明該指令索要完成的操作，如加法、減法、傳送、移位、轉移等。通常，其位數反映了機器的操作種類，也即機器允許的指令條數。
操作碼的長度可以是固定的，也可以是變化的。前者將操作碼集中放在指令字的一個欄位內，如圖所示。這種格式便於硬體設計，指令譯碼時間段，廣泛用於字長較長的、大中型計算機和超級小型計算機以及RISC中。
對於操作碼長度不固定的指令，其操作碼分散在指令字的不同欄位中。這種格式可有效地壓縮操作碼的平均長度，在字長較短的微型計算機中被廣泛採用。
通常採用擴充套件操作碼技術，使操作碼的長度隨地址數的減少而增加，不同地址數的指令可以具有不同長度的操作碼，從而在滿足需要的前提下，有效地縮短指令字長。
在設計操作碼不固定的指令系統時，應儘量考慮安排指令使用頻度（即指令在程式中出現的概率）高的指令佔用短的操作碼，對使用頻度低的指令可 佔用較長的操作碼，這樣可以縮短經常使用的指令的譯碼時間。
地址碼
地址碼用來指出該指令的源運算元的地址（一個或兩個）、結果的地址以及下一條指令的地址。這裡的“地址”可以是主存的地址，也可以是暫存器的地址，甚至可以是I/O裝置的地址。
（1）四地址指令
其中，OP為操作碼；為第一運算元地址；為第二運算元地址；為結果地址；為下一條指令的地址。
如果地址欄位均指示主存的地址，則完成一條四地址指令，共需訪問4次儲存器（取指令一次，取兩個運算元兩次，存放結果一次）。
（2）三地址指令
因為程式中大多數指令是按順序執行的，而程式計數器PC既能存放當前欲執行指令的地址，又有計數功能，因此它能自動形成下一條指令的地址。這樣，指令字中的第四地址欄位便可省去，即得三地址指令格式。
它可完成的操作後，後續指令的地址隱含在程式計數器PC之中。三地址指令運算元的直接定址範圍可達。同理，若地址欄位均為主存地址，則完成一條三地址指令也需訪問4次儲存器。
（3）二地址指令
機器在執行過程中，沒有必要將每次運算結果都存入主存，中間結果可以暫存在CPU的暫存器（如ACC）中，這樣又可省去一個地址欄位
它可完成的操作，即欄位既代表源運算元的地址，又代表存放本次運算結果的地址。有的機器也可以表示的操作，此時除了代表源運算元的地址外，還代表中間結果的存放地址。這兩種情況完成一條指令仍需訪問4次儲存器。如果使其完成，此時，它完成一條指令只需3次訪存，它的含義是中間結果暫存於累加器ACC中。二地址指令運算元的直接定址範圍為。
（4）一地址指令
如果將一個運算元的地址隱含在運算器的ACC中，則指令字中只需給出一個地址碼，構成一地址指令。
它可完成的操作，ACC既存放參與運算的運算元，又存放運算的中間結果，這樣完成一條一地址指令只需兩次訪存。一地址指令運算元的直接定址範圍達，即16M。
（5）零地址指令
零地址指令在指令字中無地址碼，例如，空操作（NOP）、停機（HLT）這類指令只有操作碼。而子程式返回（RET）、中斷返回（IRET）這類指令沒有地址碼，其運算元的地址隱含在堆疊指標SP中。
用一些硬體資源（如PC、ACC）承擔指令字中需指明的地址碼，可在不改變指令字長的前提下，擴大指令運算元的直接定址範圍。此外，用PC、ACC等硬體代替指令字中的某些地址欄位，還可縮短指令字長，並可減少訪存次數。
地址欄位表示暫存器時，也可有三地址、二地址、一地址之分。它們的共同點是，在指令的執行階段都不必訪問儲存器，直接訪問暫存器，使機器執行速度得到提高（因為暫存器型別的指令只需在取值階段訪問一次儲存器）。
2.指令字長
指令字長取決於操作碼的長度、運算元地址的長度和運算元地址的個數。
為了提高指令的執行速度和節省儲存空間，通常儘可能把常用的指令（如資料傳送指令、算邏運算指令等）設計成單字長或短字長格式的指令。通常指令字長取8的整數倍。
二、操作型別
1.運算元型別
機器中常見的運算元型別有地址、數字、字元、邏輯資料等。
2.操作型別
資料傳送
資料傳送包括暫存器與暫存器、暫存器與儲存單元、儲存單元與儲存單元之間的傳送。
算術邏輯操作
這類操作可實現算術運算和邏輯運算。有些機器還具有位操作功能，如位測試（測試指定位的值）、位清除（清除指定位）、位求反（對指定位求反）等。
移位
移位可分為算數移位、邏輯移位、迴圈移位三種。
轉移
轉移指令按其轉移特徵又可分為無條件轉移、條件轉移、跳轉、過程呼叫與返回、陷阱等幾種。
（1）無條件轉移
無條件轉移不受任何條件約束，可直接把程式轉移到下一條需執行指令的地址。
（2）條件轉移
條件轉移是根據當前指令的執行結果來決定是否需要轉移。若條件滿足，則轉移；若條件不滿足，則繼續按順序執行。
還有一種條件轉移指令，SKP，它暗示其下一條指令將被跳過，從而隱含惡劣轉移地址是SKP後的第二條指令。
（3）呼叫與返回
通常呼叫指令包括過程呼叫、系統呼叫、子程式呼叫。它可實現從一個程式轉移到另一個程式的操作。
呼叫指令（CALL）一般與返回指令（RETURN）配合使用。CALL用於從當前的程式位置轉至子程式的入口；RETURN用於子程式執行後重新返回到原程式的斷點。
需注意以下三點：
- 子程式可在多處被呼叫
- 子程式呼叫可出現在子程式中，即允許子程式巢狀。
- 每個CALL指令都對應一條RETURN指令。
返回地址可存放在以下3處：
- 暫存器內。機器內設有專用暫存器，專門用於存放返回地址。
- 子程式的入口地址內。
- 棧頂內。現代計算機都設有堆疊，執行RETURN指令後，便可自動從棧頂內取出應返回的地址。
（4）陷阱與陷阱指令
陷阱其實是一種意外事故的中斷。一旦出現意外故障，計算機就發出陷阱訊號，暫停當前程式的執行，轉入故障處理程式進行相應的故障處理。
計算機的陷阱指令一般不提供給使用者直接使用，而作為隱指令（即指令系統中不提供的指令），在出現意外故障時，由CPU自動產生並執行。也有的機器設定供使用者使用的陷阱指令或“訪管”指令，利用它完成系統呼叫和程式請求。
（5）輸入輸出
通常設有輸入輸出指令，它完成從外設中的暫存器讀入一個數據到CPU的暫存器內，或將資料從CPU的暫存器輸出至某外設的暫存器中。
（6）其他
包括等待指令、停機指令、空操作指令、開中斷指令、關中斷指令、置條件碼指令等。
在多使用者、多工的計算機系統中，還設有特權指令，這類指令只用用於作業系統或其他系統軟體，使用者是不能使用的。在有些大型或巨型機中，還設有向量指令，可對整個向量或矩陣進行求和、求積運算。