计算机组成原理：指令格式与扩展操作码技术解析

"指令格式举例-计算机组成原理（第2版）第七章 指 令 系 统" 本文主要探讨了计算机组成原理中的指令系统，特别是指令格式的设计与应用。其中，着重讲解了指令的一般格式、操作码字段和地址码字段，以及扩展操作码技术。 7.1 机器指令 机器指令是计算机硬件能够直接理解和执行的基本命令。它通常由两部分组成：操作码和地址码。操作码指示计算机进行何种操作，而地址码则指出操作数的位置。指令格式有固定长度和可变长度两种，固定长度的操作码适用于简单指令集，而可变长度的操作码则适用于指令字较长的复杂系统，如IBM370。 7.4 指令格式举例 - PDP-8 PDP-8是一种早期的计算机，其指令字长固定为12位。在这个例子中，采用了扩展操作码技术来实现不同的指令类别。具体分配如下： - 访存类指令：操作码占用7位，地址码占用5位。 - 寄存器类指令：使用辅助操作码，操作码和地址码各有11位。 - I/O类指令：设备号占用9位，操作码占用3位。 扩展操作码技术允许在有限的指令字长内增加更多的指令种类。当减少地址数时，操作码的位数会相应增加，从而可以编码更多的操作。例如，PDP-8的指令设计使得： - 四地址指令操作码可以编码15条指令。 - 每减少一个地址，可以编码24种新指令，所以三地址指令可以编码3*24=72条，二地址指令可以编码2*24=48条，一地址指令可以编码24条，最后是零地址指令的16条。 7.1 扩展操作码技术 扩展操作码技术是一种优化指令集的方法，通过牺牲地址字段来增加操作码的位数，从而实现更多的指令种类。这种技术在RISC（精简指令集计算机）中尤为常见，因为它减少了指令的平均执行时间。例如，如果操作码初始为4位，可以编码16种指令；当减少到3地址指令时，操作码增加到8位，可以编码64种；进一步减少到2地址指令时，操作码变为12位，可以编码4096种；最后，对于1地址指令，操作码为16位，可以编码65536种。 地址码部分也非常重要，因为它决定了指令如何找到数据。四地址指令提供了四个位置来存储操作数地址，而三地址、二地址和一地址指令则依次减少。地址码的减少意味着指令能直接处理的数据量减少，但可以通过扩展操作码来编码更多的操作类型。 总结，计算机指令系统的复杂性和灵活性体现在指令格式的设计上，包括操作码和地址码的分配，以及如何利用扩展操作码技术来最大化指令集的潜力。这些设计决策直接影响到计算机的性能、代码密度以及编程的便利性。在PDP-8的例子中，我们看到了一个实际应用的实例，展示了如何在一个有限的指令字长内实现丰富的指令集。