数电第七章 指令系统
数字逻辑第七章 指令系统
概述与指令系统设计
指令执行周期：
（1）取指令（IF）：指令地址、指令长度（定长/变长）
（2）指令译码（ID），确定做何操作：指令格式、操作数编码、操作数类型
（3）取数，计算操作数地址并取操作数：地址码、寻址方式、操作数格式与存放
（4）执行（EX），进行相应计算、并得到标志位：操作类型、标志或条件码
（5）存数（RS），将计算结果保存到目的地：结果数据位置（目的操作数地址）
（6）下一步，计算下一条指令地址（与取指令同时进行）：下条指令地址（顺序/转移）
一条指令必须明显或隐含包含：
（1）操作码（指定操作类型，操作码长度固定/可变）
（2）源操作数参照（一个或多个源操作数所在的地址）（操作数来源：主（虚）存/寄存器/I/O端口/指令本身）
（3）结果值参照：产生结果（目的操作数）存于何处
（4）下一条指令地址：下条指令存于何处？（改变顺序由指令给出）
寻址方式
| 方式 | 操作数 | 优点 | 缺点 | 操作数位置 |
|---|---|---|---|---|
| 立即数 | imm | 指令执行快 | 操作数值域有限 | 指令 |
| 直接 | addr | 地址计算简单 | 地址范围有限 | 内存 |
| 间接 | （addr） | 地址范围大 | 多次存储器访问 | 内存 |
| 寄存器直接 | Reg | 指令执行快，指令短 | 地址范围有限 | 寄存器 |
| 寄存器间接 | （Reg） | 地址范围大 | 额外存储器访问 | 内存 |
| 偏移 | A+（Reg） | 灵活 | 复杂 | 内存 |
| 栈 | 栈顶 | 指令短 | 应用有限 | 内存 |
操作码的两种编码方式：定长操作码法，\(n\)位可表\(2^n\)种指令（性能更重要时，便于快速访问和译码）、扩展操作码法（代码长度更重要时，使机器代码更紧凑）
扩展操作数编码示例：
某指令系统指令字16位，每个地址码6位。若二地址指令\(k_2\)条，一地址指令\(k_1\)条，则剩下零地址指令最多有多少条？
\(((16-k_2)\cdot 2^6-k_1)\cdot 2^6\)
CISC与RISC：CISC（指令编码较为灵活）、RISC（指令简化，除Load、Store可访问存储器外、其余指令只访问寄存器）
异常与中断
内部异常包括：
（1）硬故障中断：如电源掉电、硬件线路故障。
（2）程序性中断：执行某指令时发生的例外事件：溢出、缺页、越界、越权、越级、非法指令、除数为0、堆/栈溢出、访问超时、断点设置、单步、系统调用。
发现立刻处理
外部中断包括：
在CPU外部发生的特殊事件，通过“中断请求”信号向CPU请求处理。如实时钟、控制台、打印机缺纸、外设准备好、采样计时到、DMA传输结束等。
每个指令执行结束，CPU查询有无中断请求，有则响应中断
软件识别：设置异常原因寄存器记录异常原因，操作系统使用一个统一的异常处理程序，该程序按优先级顺序查询异常状态寄存器，识别出异常事件。
硬件识别：每个异常和中断都有一个异常/中断号，根据此号，到中断向量表（中断描述符表）中读取对应的具体的中断服务程序的入口地址。