指令是指示计算机执行某种操作的命令， 是计算机运行的最小功能单位。
一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。
指令的基本格式
指令是一段有意义的二进制码，包括两个部分：操作码字段和地址码字段。
操作码：指令要进行什么操作，具有何种功能
地址码：被操作信息的地址
按照地址码数量分类
零地址指令
- 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
- 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶
一地址指令
- 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
指令含义：\(\text{OP}(A_1) \rightarrow A_1\)
完成一 条指令需要3次访存：取指→读A1→写A1
- 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）
指令含义：\((\text{ACC}) \text{OP}(A_1) \rightarrow \text{ACC}\)
完成一条指令需要2次访存：取指→读A1
A1指某个主存地址
(A1)表示A1所指向的地址中的内容
二地址指令
需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
指令含义：\((A_1) \, \text{OP} \, (A_2) \rightarrow A_1\)
完成一条指令需要访存4次：取指→读A1→读A2→写A1
三地址指令
需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
指令含义：[ (A_1) , , (A_2) A_3 ]
完成一条指令需要访存4次：取指→读A1→读A2→写A3
四地址指令
与三地址指令相同，A4中存放下一条要执行的指令的地址。
一般来说，程序执行完毕后，会将PC（程序计数器）+1
而四地址指令会将PC的值置为A4
按照指令长度分类
指令字长：一条指令的总长度（可能会变）
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）
存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）
半字长指令、单字长指令、双字长指令：指令长度是机器字长的多少倍。指令长度影响取指令的时间。
定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等
按照操作码长度分类
定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同
- 译码电路设计简单
- 灵活性较差
可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
- 译码电路设计复杂
- 灵活性高
按照操作类型分类
数据传送类
进行主存与CPU之间的数据传送
- LOAD：把存储器（源）中的数据放到寄存器（目标）中
- STORE：把寄存器（源）中的数据放到存储器（目标）中
运算类
- 算数逻辑运算
- 算术：加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算
- 逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反
- 移位操作
- 算术移位、逻辑移位、循环移位（带进位和不带进位）
程序控制类
改变程序执行的顺序
- 无条件转移：JMP
- 条件转移
- JZ：结果为0
- JO：结果溢出
- JC：结果有进位
- 调用和返回：CALL和RETURN
- 陷阱(Trap)与陷阱指令
输入输出操作
CPU寄存器与I/O端口之间的数据传送（端口即I/O接口中的寄存器）
扩展操作码指令格式
扩展操作码指令格式采用定长指令字结构+可变长操作码结构
n位操作码代表指令系统最大能够表达\(2^n\)条指令
扩展操作码举例
设指令字长为16位，每个地址码占4位
- 用全部为1标识地址数量，因此实际可用指令数量为\(2^n - 1\)
- 地址长度为n，上一层留下m种状态，则协议层可以扩展出\(m \times 2 ^ n\)种状态
例：指令字长为16位，设计一套有15条三地址指令、12条二地址指令、62条一地址指令、32条零地址指令的指令系统。
- 地址长度：16bit/4=4bit
- 三地址指令
- 16-3*4 = 4bit 操作码
- 24−15=124−15=1，剩余1111
- 二地址指令
- 头部必须为1111，16 - 4 - 2*4 = 4bit
- 24−12=424−12=4，剩余1100、1101、1110、1111，头两位全部为11
- 一地址指令
- 头部必须为1111 11，16 - 6 - 4 = 6bit
- 26−62=126−62=1，剩余111110
- 零地址指令
- 头部必须为1111 1111 111，16 - 11 = 5bit
- 25−32=025−32=0，分配完毕
- 优点
- 在指令字长有限的情况下保证了比较丰富的指令种类
- 缺点
- 增加了指令译码和分析的难度
- 使控制器设计复杂