图片来源：南京大学软件学院COA课程PPT

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14 指令系统

操作码

• 寄存器可以支持没有嵌套的函数调用，如果要多层调用，多个寄存器会用来存放返回地址

• 每一个过程开始的位置是空出来的，空出来存放调用它的程序需要返回的位置，可以多层调用，但不能支持如递归调用，重复调用一个过程。

• 使用栈可以解决上述问题

操作数

寻址方式

地址A指向的不一定是操作数本身，而可能是一个地址，这个地址才指向操作数，那么这个地址就叫做有效地址EA

立即寻址

地址字段存放的就是操作数，操作数以立即数的方式给出

直接寻址

地址字段是有效地址，可以直接获取操作数的有效地址EA，操作数始终可以表示为（EA）

间接寻址

地址引用的数量限制可能是有益的指的是虽然采用了间接寻址，虽然A的长度会限制放EA的范围（A长度可能很小，涵盖的地址空间小）但这未必是一件坏事

寄存器寻址

寄存器数量少，所以需要的编号长度小，寄存器里面存放了操作数，所以EA=R

当一个数/变量被多次使用时，数据存放在寄存器才有意义，因为寄存器速度快，如果只是从主存中取一个数，使用一次就不用了，那么就没必要存放在寄存器中，直接从主存中读取即可

寄存器间接寻址

寄存器中存放的是有效地址

偏移寻址（计算出的都是EA，需要到EA中取得操作数，因此偏移寻址都是要计算出EA的，都可以看作是一种间接寻址，直接寻址的EA是直接给出的）

偏移寻址结合了直接寻址（A）和寄存器间接寻址（（R））两个地址字段，即上面的寄存器编号和偏移地址A。其中至少有一个必须是显式，即A必须是显式的

相对寻址

利用程序的局部性原理，用短的地址差，去代替长的实际地址，节省指令中地址段长度

基址寄存器寻址

寄存器（基址寄存器）的引用可以是显式的，也可以是隐式的（隐含在操作码中）

变址寻址

A是地址，而寄存器中存放的是偏移量（所以是变址寄存器），比如访问数组，寄存器中的值增加，就可以逐步访问数组中的内容

前变址就是先变址再用间接寻址；后变址就是先对A间接寻址，再变址，得到的都是EA

栈寻址

栈

• 中缀表达式转后缀表达式，对于操作数，直接输出，而对于运算符，则看这个运算符和栈顶的运算符的优先级，如果这个运算符比栈顶运算符优先级高，那么把这个运算符压栈，反之，如果小于等于，则弹出栈顶运算符，然后再比较下一个运算符

• 对于左括号，直接压入，但括号的优先级比其他运算符低，所以新的+遇到栈顶的括号，+优先级比括号高，直接压入

• 对于右括号，则把运算符弹出，直到遇到左括号，把左括号弹出就结束，即左右括号被消除了

• 当输入为空，则把栈中的运算符逐个弹出

指令格式

设计原则

指令长度

位的分配

变长操作码是指指令的长度是固定的，只是对于有些指令，操作码长度长，有些短，所以操作数的长度也会相应变化，操作码长，那么操作数就少/短

变长指令

指令的长度是变化的

通过取至少为最长指令长度的内容，来保证每次至少能取到一条指令

CPU内部有个指令预取单元，每周期从一级指令缓存中取16字节指令流，此时并不知道取了多少指令。随后有一个指令预译码阶段，会根据x86指令的译码规则界定出每条指令的边界。后续是指令译码阶段，将x86指令翻译成微指令。

RISC处理器是定长指令，没有这个问题，CISC处理器采用变长指令，指令预取部件会从指令缓存中取一段到指令队列中，并不限于单指令最大长度，可能达到几十字节，和每时钟周期指令发射条数有关。

指令集设计

指令集的设计要和寄存器个数匹配

总结