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# 第7章 指令系统
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> 📖 本章介绍机器指令系统的分类、寻址方式和指令格式设计。
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> 🎯 重点理解寻址方式和指令格式设计
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## 📋 本章目录
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- [[#7.1 机器指令]]
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- [[#7.2 操作数类型和操作类型]]
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- [[#7.3 寻址方式]]
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- [[#7.4 指令格式]]
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- [[#7.5 RISC技术]]
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- [[#本章小结]]
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## 7.1 机器指令
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### 7.1.1 指令的一般格式
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> [!info] 定义
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> 机器指令是计算机能识别和执行的基本命令，由操作码和地址码组成。
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```mermaid
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graph LR
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subgraph "指令格式"
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OP[操作码] --> ADDR[地址码]
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end
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```
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#### 操作码
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**功能**：指明指令要完成的操作
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**长度**：
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- **固定长度**：便于硬件设计，译码快
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- **可变长度**：节省空间，译码复杂
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#### 地址码
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**功能**：指出操作数地址、结果地址、下条指令地址
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**格式分类**：
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```mermaid
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graph TB
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A[指令格式] --> B[四地址指令]
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A --> C[三地址指令]
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A --> D[二地址指令]
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A --> E[一地址指令]
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A --> F[零地址指令]
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```
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| 格式 | 地址字段 | 操作 | 访存次数 |
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|------|----------|------|----------|
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| 四地址 | A1, A2, A3, A4 | (A1)OP(A2)→A3 | 4次 |
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| 三地址 | A1, A2, A3 | (A1)OP(A2)→A3 | 4次 |
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| 二地址 | A1, A2 | (A1)OP(A2)→A1 | 4次 |
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| 一地址 | A1 | ACCOP(A1)→ACC | 2次 |
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| 零地址 | 无 | 栈操作 | 0-2次 |
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> [!example] 示例
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> 四地址指令：OP A1 A2 A3 A4
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> - (A1) OP (A2) → A3
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> - 下条指令地址 = A4
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### 7.1.2 扩展操作码技术
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> [!info] 目的
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> 在指令字长固定的情况下，增加指令种类。
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**原理**：操作码长度随地址数减少而增加
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```mermaid
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graph TB
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subgraph "扩展操作码示例（16位指令）"
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A["4位操作码<br/>15条三地址指令"] --> B["8位操作码<br/>15条二地址指令"]
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B --> C["12位操作码<br/>15条一地址指令"]
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C --> D["16位操作码<br/>16条零地址指令"]
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||
end
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||
```
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**设计原则**：
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- 使用频度高的指令用短操作码
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- 使用频度低的指令用长操作码
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- 为扩展留有余地
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## 7.2 操作数类型和操作类型
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### 7.2.1 操作数类型
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| 类型 | 说明 | 示例 |
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|------|------|------|
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| 地址 | 无符号整数 | 指向存储器位置 |
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| 数值 | 定点数、浮点数 | 算术运算 |
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| 字符 | ASCII码 | 文本处理 |
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| 逻辑数 | 位串 | 逻辑运算 |
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### 7.2.2 操作类型
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#### 数据传送类
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| 指令 | 功能 | 示例 |
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|------|------|------|
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| MOV | 数据传送 | MOV AX, BX |
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| LOAD | 从存储器取数 | LOAD R1, [addr] |
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| STORE | 存数到存储器 | STORE [addr], R1 |
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| PUSH/POP | 栈操作 | PUSH AX |
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#### 算术逻辑类
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| 指令 | 功能 | 示例 |
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|------|------|------|
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| ADD/SUB | 加/减 | ADD AX, BX |
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| MUL/DIV | 乘/除 | MUL BX |
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| AND/OR/NOT | 逻辑运算 | AND AX, BX |
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| CMP | 比较 | CMP AX, BX |
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| SHL/SHR | 移位 | SHL AX, 1 |
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#### 控制转移类
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| 指令 | 功能 | 示例 |
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|------|------|------|
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| JMP | 无条件跳转 | JMP addr |
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| JZ/JNZ | 条件跳转 | JZ addr |
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| CALL | 调用子程序 | CALL addr |
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| RET | 返回 | RET |
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| INT | 中断 | INT 21H |
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## 7.3 寻址方式
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> [!info] 定义
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> 寻址方式是指令中如何给出操作数地址或操作数的方式。
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### 7.3.1 指令寻址
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#### 顺序寻址
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```mermaid
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graph LR
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PC[PC] --> |"PC+1"| NEXT[下一条指令]
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```
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#### 跳跃寻址
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```mermaid
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graph LR
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PC[PC] --> |"JMP addr"| TARGET[目标指令]
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```
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### 7.3.2 数据寻址
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**指令格式**：
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```mermaid
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graph LR
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subgraph "数据寻址格式"
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OP[操作码] --> MOD[寻址特征] --> ADDR[形式地址]
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||
end
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```
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**有效地址**：$EA = f(寻址方式, 形式地址)$
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#### 常见寻址方式
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##### 1. 立即寻址
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> [!info] 特点
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> 操作数直接在指令中
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**格式**：OP #立即数
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**有效地址**：$EA = 指令地址 + 1$（操作数在指令中）
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**优点**：速度快，不需要访存
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**缺点**：操作数范围受地址字段限制
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##### 2. 直接寻址
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> [!info] 特点
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> 地址字段直接给出操作数地址
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**格式**：OP A
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**有效地址**：$EA = A$
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**优点**：简单，只需一次访存
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**缺点**：寻址范围受地址字段限制
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##### 3. 间接寻址
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> [!info] 特点
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> 地址字段给出的是操作数地址的地址
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**格式**：OP (A)
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**有效地址**：$EA = (A)$
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**优点**：寻址范围大
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**缺点**：多次访存，速度慢
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```mermaid
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graph LR
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A[形式地址A] --> |"第一次访存"| B[地址B]
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B --> |"第二次访存"| C[操作数]
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```
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##### 4. 寄存器寻址
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> [!info] 特点
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> 操作数在寄存器中
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**格式**：OP R
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**有效地址**：$EA = R$
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**优点**：速度快，不需要访存
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**缺点**：寄存器数量有限
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##### 5. 寄存器间接寻址
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> [!info] 特点
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||
> 寄存器中存放的是操作数的地址
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**格式**：OP (R)
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**有效地址**：$EA = (R)$
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**优点**：寻址范围大，只需一次访存
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**缺点**：需要一次访存
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##### 6. 偏移寻址
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###### 基址寻址
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**格式**：OP A，基址寄存器BR
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**有效地址**：$EA = (BR) + A$
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**特点**：
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- 便于程序重定位
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- 基址寄存器内容不变
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- 形式地址可变
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###### 变址寻址
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**格式**：OP A，变址寄存器IX
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**有效地址**：$EA = (IX) + A$
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**特点**：
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- 便于数组操作
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- 变址寄存器内容可变
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- 形式地址不变
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> [!example] 数组访问示例
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> 访问数组元素：$EA = (IX) + A$
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> - A：数组首地址
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> - IX：元素下标
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> - 每次IX+1，访问下一个元素
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###### 相对寻址
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**格式**：OP A
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**有效地址**：$EA = (PC) + A$
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**特点**：
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- 程序浮动
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- A是相对于PC的偏移量
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##### 7. 堆栈寻址
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**格式**：PUSH/POP 操作数
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**有效地址**：
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- PUSH：先SP-1，再存数
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- POP：先取数，再SP+1
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**特点**：后进先出（LIFO）
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#### 寻址方式对比
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| 寻址方式 | 有效地址 | 访存次数 | 优点 | 缺点 |
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|----------|----------|----------|------|------|
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| 立即寻址 | 操作数在指令中 | 0 | 速度快 | 范围小 |
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| 直接寻址 | EA=A | 1 | 简单 | 范围小 |
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| 间接寻址 | EA=(A) | 2+ | 范围大 | 速度慢 |
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| 寄存器寻址 | EA=R | 0 | 速度最快 | 数量有限 |
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| 寄存器间接 | EA=(R) | 1 | 范围大 | 需要访存 |
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| 基址寻址 | EA=(BR)+A | 1 | 便于重定位 | 需要基址寄存器 |
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| 变址寻址 | EA=(IX)+A | 1 | 便于数组操作 | 需要变址寄存器 |
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| 相对寻址 | EA=(PC)+A | 1 | 程序浮动 | 范围有限 |
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| 堆栈寻址 | 栈顶 | 0-1 | 自动管理 | 只能栈操作 |
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## 7.4 指令格式
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### 7.4.1 指令格式设计考虑因素
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| 因素 | 考虑内容 |
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|------|----------|
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| 指令字长 | 固定/可变，长度选择 |
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| 操作码 | 固定/可变，长度分配 |
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| 地址码 | 地址个数，寻址方式 |
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| 数据类型 | 支持的数据类型 |
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| 寻址方式 | 提供哪些寻址方式 |
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### 7.4.2 指令字长
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**固定字长**：
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- 优点：取指时间固定，硬件简单
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- 缺点：浪费空间
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**可变字长**：
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- 优点：节省空间
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- 缺点：取指时间不固定
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### 7.4.3 指令格式举例
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#### IBM 370指令格式
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```mermaid
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graph LR
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subgraph "IBM 370 指令格式"
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OP[操作码8位] --> R1[寄存器1] --> R2[寄存器2] --> B2[基址寄存器] --> D2[位移量]
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||
end
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```
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**特点**：
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- 固定操作码长度（8位）
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- 基址+位移寻址
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- 16个通用寄存器
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#### Intel 8086指令格式
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```mermaid
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graph LR
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subgraph "Intel 8086 指令格式"
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OP[操作码] --> MOD[寻址方式] --> R/M[寄存器/存储器] --> DISP[位移量]
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||
end
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```
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**特点**：
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- 可变操作码长度
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- 多种寻址方式
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- 8个通用寄存器
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### 7.4.4 指令系统设计原则
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1. **完备性**：指令功能完整
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2. **规整性**：指令格式统一
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3. **对称性**：操作对称
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4. **可扩充性**：便于扩展
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5. **兼容性**：向上兼容
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## 7.5 RISC技术
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### 7.5.1 RISC与CISC
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| 特性 | CISC | RISC |
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|------|------|------|
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| 指令数量 | 多（几百条） | 少（几十条） |
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| 指令长度 | 可变 | 固定 |
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| 寻址方式 | 多种 | 少数几种 |
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| 执行时间 | 不固定 | 固定（一个周期） |
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| 访存方式 | 多种指令可访存 | 只有LOAD/STORE |
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| 控制方式 | 微程序 | 硬布线 |
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| 优化目标 | 缩短程序长度 | 提高执行速度 |
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### 7.5.2 RISC特点
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**主要特点**：
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1. **指令数量少**：只包含常用指令
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2. **指令长度固定**：简化取指和译码
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3. **寻址方式少**：简化寻址逻辑
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4. **只有LOAD/STORE访存**：简化数据通路
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5. **大量寄存器**：减少访存次数
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6. **硬布线控制**：提高执行速度
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7. **流水线技术**：提高并行度
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8. **优化编译**：充分利用硬件
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### 7.5.3 RISC优势
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| 优势 | 说明 |
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|------|------|
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| 速度快 | 指令执行时间固定，便于流水线 |
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| 硬件简单 | 控制逻辑简单，成本低 |
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| 设计周期短 | 指令少，验证容易 |
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| 功耗低 | 逻辑简单，功耗小 |
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### 7.5.4 RISC vs CISC对比
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```mermaid
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graph TB
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subgraph "CISC"
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A1[复杂指令] --> B1[微程序执行]
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B1 --> C1[多周期]
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end
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subgraph "RISC"
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A2[简单指令] --> B2[硬布线执行]
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B2 --> C2[单周期]
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C2 --> D2[流水线]
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end
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```
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## 📝 本章小结
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### 核心概念
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1. **指令格式**：操作码 + 地址码
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2. **寻址方式**：立即、直接、间接、寄存器、基址、变址、相对、堆栈
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3. **指令系统设计**：完备性、规整性、可扩充性
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4. **RISC技术**：简化指令，提高速度
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### 关键公式
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- **有效地址**：$EA = f(寻址方式, 形式地址)$
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- **基址寻址**：$EA = (BR) + A$
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- **变址寻址**：$EA = (IX) + A$
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- **相对寻址**：$EA = (PC) + A$
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### 重点图示
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> [!summary] 必须掌握的内容
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> 1. 指令格式分类（四地址到零地址）
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> 2. 扩展操作码技术
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> 3. 各种寻址方式的计算方法
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> 4. RISC与CISC的区别
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## 🧪 自测练习
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### 概念题
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1. 比较各种指令格式的特点。
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2. 说明扩展操作码技术的原理。
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3. 解释RISC技术的主要特点。
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### 计算题
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1. 给定指令字长和操作数地址，设计扩展操作码。
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2. 计算各种寻址方式下的有效地址。
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### 分析题
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1. 设计一个简单的指令系统。
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2. 分析RISC和CISC的优缺点。
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## 🔗 相关链接
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||
- [[06_运算方法]] - 上一章
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||
- [[08_CPU结构与功能]] - 下一章
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||
- [[10_控制单元设计]] - 指令执行
|
||
- [[04_存储器]] - 存储器访问
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*本章难度：⭐⭐⭐⭐ 中等偏难*
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*重要程度：⭐⭐⭐⭐ 重点* |