（一）指令的设计

1. 指令的基本格式

1.1. 概念

• 指令：一串有特定含义的二进制数；
• 程序：程序本质是是一系列按顺序排列的指令；

1.2. 基本格式

• 一条指令一般包含如下部分
  • 操作码；
  • 操作数地址；
  • 存放操作结果的地址；
  • 下一条指令的地址；
• 基本指令格式：操作码 + 地址码；
  • 操作码：表示该指令要完成的操作；
  • 地址码：表示操作对象的地址；
  • 指令长度（也称指令字长）取决于：操作码长度、操作数地址长度、操作数地址个数；
• 地址码个数分类法：零地址指令、一地址指令、……；根据地址码的个数来分类；
  • 零地址指令：如开关机，重启指令；
  • 一地址指令：如取栈顶，取次栈顶数，隐含寻址（另一地址存放在固定寄存器中）；
  • 二地址指令：一般的二元运算，如加减乘除；
  • 三地址指令：一般是二元运算 + 指定存放结果的寄存器地址；

1.3. 设计指令：定长和不定长操作码

• 定长操作码：操作码位数固定（如 4 位）；

  • 优点：设计简单；
  • 缺点：可设计的指令个数较少（$2^n$）；

• 不定长操作码：在特定情况下，部分地址码可作为操作码来识别指令；

  • 实例分析：指令字长 16 位，4 位一组。前 4 位操作码，后 12 位为 3 组地址码 $A_1\sim A_3$;

  • 方法一：每组码（除最后一组）为全 1 时，表示后面一组也作为操作码，即操作码扩展 4 位；

    类型	个数	操作码范围
    三地址码	15	0000 ~ 1110
    二地址码	15	1111 0000 ~ 11111 1110
    一地址码	15	1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1110
    零地址码	16	1111 1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1111 1111

  • 方法二：要求有 14 条二地址码和 31 条一地址码，其他和方法一相同；

    • 解：将二地址码的 1111 11110 给一地址码用，即 1111 1110 0000 到 1111 1111 1110 都是一地址码即可；
    • 结论：地址码较多的指令放出一条，可以使得地址码较少的指令就可以增加 $2^N$，$N$ 是空出的地址码位数；

习题

• 1. 零地址指令中，操作数的地址来自（）
  • A. 立即数和栈顶；
  • B. 暂存器；
  • C. 栈顶和次栈顶；
  • D. 内存；
  • 答案：C
  • 解析：（记）零地址指令中：
    • 若有 1 个操作数：则来自栈顶；
    • 若有 2 个操作数：则来自栈顶和次栈顶；
    • 若有运算结果，结果自动压回栈顶；
• 2. 指令字长 16 位，地址码 6 位，指令类型有零地址、一地址、二地址。
  • (1) 定长操作码，设一地址有 $P$ 个，二地址 $Q$ 个，则零地址指令有多少个？
  • (2) 扩展操作码，零地址指令 $Y$ 种，二地址指令 $X$ 种，则一地址指令最多有多少种？
    • 答案：1）$16-P-Q$ 个，2）$64\times (16-X)-Y/64$；
  • 解析：首先计算出操作码位数 $n_{\mathrm{op}}=16-6\times 2=4$；
    • 1）定长操作码，所有指令最多有 $2^{n_{\mathrm{op}}}=16$ 种，减去给出的即可，即 $16-P-Q$；
    • 2）这题要注意各类地址互相决定的顺序：先定二地址 > 再定一地址 > 再定零地址；
      • 二地址指令最多是 $2^{n_{\mathrm{op}}}=16$ 种，现用了 $X$ 种，则还有 $16-X$ 种没用。
      • 若将这些二地址指令都给一地址用，则因为多出的地址位，1 种二地址指令可对应 $2^6=64$ 种，故一地址总共是 $Z=64\times (16-X)$，注意上述 $16-X$ 包含了本身就是用来扩展一地址的全 1 情况；
      • 因为还有 $Y$ 种是零地址，都是根据没用的一地址扩展而来，一个一地址可以扩展 $2^6=64$ 个零地址，故用来扩展的一地址指令种数为 $W=Y/64$；
      • 所以，可用的一地址种数最多为 $S=Z-W=64\times (16-X)-Y/64$；
• 3. 按字节编址，指令字长固定且只有两种格式，三地址指令 29 条，二地址指令 107 条，地址码 6 位，则指令字长至少为
  • A. 24；
  • B. 26；
  • C. 28；
  • D. 32；
  • 答案：A；
  • 解析：按照第 2 题的决定顺序，反过来就应该先考虑二地址，再考虑三地址。设操作码位数 $x$；
    • 二地址 107 条，是由缺省的三地址扩展而来，因此需要缺省的三地址条数 $n=\lceil 107/2^6\rceil =2$；
    • 三地址 29 条，加上缺省的 2 条共 31 条，全部由操作码表示，因此有 $2^x\ge 31$，得 $x_{min}=5$；
    • 所以指令字长最少 $5+3\times 6=23$ 位；
    • 因为 "按字节编址"，即一次性存取 8 位，则各种码的长度都应取 8 的整数倍，以方便寻址和存取，故选最接近的 24；