指令的组成

计算机的指令通常由两部分组成：

• 操作码（Opcode）：指定要执行的操作类型

  • 定义：操作码是指令中的一个字段，它指定了要执行的操作类型。例如，加法、减法、跳转等。

  • 作用：操作码告诉处理器具体要执行哪种操作。每个操作码对应一种特定的操作或功能。

• 操作数（Operand）：提供给操作码所需的数据或数据的位置

  • 定义：操作数是指令中用于操作的数据或数据地址。它可以是一个立即数（直接包含在指令中的数值）、寄存器中的值、内存地址等。

  • 作用：操作数提供给操作码所需的数据或数据的位置。根据指令的不同，操作数的数量和类型也会有所不同。

假设我们有一个简单的指令 ADD R1, R2，意思是将寄存器R1和寄存器R2中的值相加，并将结果存储在R1中。

• 操作码：ADD（表示加法操作）

• 操作数：R1, R2（表示参与加法操作的两个寄存器）

指令和操作数的存储

1. 指令存储：

   • 主存（内存）：程序的指令以二进制形式存储在主存中。当程序开始执行时，操作系统将程序代码从磁盘或其他存储介质加载到主存中。

   • 程序计数器（PC）：程序计数器（PC）指向当前要执行的指令的地址。CPU通过PC从主存中读取指令。

2. 操作数存储：

   • 寄存器：寄存器是CPU内部的小容量、高速存储单元。操作数可以直接存储在寄存器中，这样访问速度非常快。

   • 缓存：缓存是一种位于CPU和主存之间的高速存储器，用于临时存储频繁访问的数据。如果操作数最近被访问过，可能会存储在缓存中，从而加快访问速度。

   • 主存（内存）：操作数也可以直接存储在主存中。在这种情况下，CPU需要通过地址总线访问主存来获取操作数。

指令执行过程

通常称为取指-译码-执行（Fetch-Decode-Execute）循环

1. 取指令（Fetch）：从内存中读取指令并存入指令寄存器（IR）

   • 程序计数器（PC）：程序计数器中存储了下一条要执行的指令的地址

   • 地址总线：CPU将程序计数器中的地址通过地址总线发送到内存。

   • 读取指令：内存根据地址总线上的地址，将对应的指令内容通过数据总线发送回CPU。

   • 指令寄存器（IR）：CPU将从内存中读取的指令内容存入指令寄存器（IR）。

2. 分析指令（Decode）：指令译码器解析指令，分离出操作码和操作数

   • 指令译码器：指令译码器对指令寄存器中的指令进行解析，分离出操作码和操作数。

   • 操作码：操作码部分被送到控制单元，控制单元根据操作码确定需要执行的操作类型。

   • 操作数：操作数部分可能包含立即数、寄存器编号或内存地址。这些信息用于后续的执行阶段。

3. 执行指令（Execute）：根据操作码和操作数执行相应的操作，并更新程序计数器（PC）

   • 操作数获取：如果操作数是内存地址，CPU会再次访问内存以获取实际的操作数。

   • 执行操作

     ：根据操作码和操作数，CPU执行相应的操作。例如：

     • 如果操作码是 ADD，则将两个操作数相加并将结果存入指定的位置。

     • 如果操作码是 MOV，则将一个操作数的值复制到另一个位置。

     • 如果操作码是 JMP，则更新程序计数器（PC），使其指向新的指令地址。

   • 更新程序计数器：在大多数情况下，执行完一条指令后，程序计数器（PC）会自动递增，指向下一个指令的地址。对于跳转指令（如 JMP），程序计数器会被设置为新的地址。

指令寻址方式

• 顺序寻址：程序计数器（PC）自动递增，指向下一个连续的指令地址。

• 跳跃寻址：程序计数器（PC）被上一次执行的指令设置为一个新的地址，从而改变程序的执行流程。

操作数寻址方式

• 立即寻址：操作数不是指向地址，而是操作数本身

• 直接寻址：操作数地址直接指向操作数在主存中的地址

• 间接寻址：操作数地址指向的主存的位置所储存的内容指向了另一个地址

• 寄存器寻址：操作数的地址指向寄存器编号

指令体系

• 复杂指令系统（CISC）

  • 特点：指令繁多、长度可变、兼容性强。

  • 实现：由微程序控制技术实现。

  • 适用场景：适合处理复杂的任务，如科学计算、图形处理等。

• 精简指令系统（RISC）

  • 特点：指令少、使用频率接近、主要依靠硬件实现。

  • 实现：使用通用寄存器和硬布线逻辑控制，适合采用流水线技术。

  • 适用场景：适合高性能计算、嵌入式系统等，能够提供更高的执行效率和吞吐量。