指令系统

简介

指令系统是指计算机可以执行的所有指令的集合。它描述了计算机中所有的控制信息和“逻辑判断”能力。不同计算机的指令系统中包含的指令类型和数量也不同。一般包括算术运算型、逻辑运算型、数据传输型、判断控制型、移位运算型、位(位串)运算型、输入输出型等指令。指令系统是表征计算机性能的一个重要因素。它的格式和功能不仅直接影响机器的硬件结构，还直接影响系统软件和机器的适用范围。

指令是机器语言中的语句。它是一组有意义的二进制代码。指令的基本格式如下:操作码字段+地址代码字段，其中操作码表示指令的操作性质和功能，地址代码给出操作数或操作数的地址。

发展历史

教学系统的发展经历了一个从简单到复杂的过程。早在20世纪50年代和60年代，计算机主要由晶体管或电子管组成，这些晶体管或电子管带有分立元件，体积庞大，价格昂贵。因此，计算机的硬件结构相对简单，支持的指令系统只有十几到几十条基本指令，寻址方法简单。

到60年代中期，随着集成电路的出现，计算机的功耗、体积和价格持续下降，硬件功能持续增加，指令系统变得越来越丰富。

20世纪70年代，高级语言成为大型、中型和小型计算机的主要编程语言，计算机应用程序变得越来越流行。由于软件的发展超过了软件设计理论的发展，复杂的软件系统设计没有得到理论的很好指导，导致软件质量得不到保证，导致所谓的“软件危机”。人们认为，缩小机器指令系统和高级语言之间的语义鸿沟，为高级语言提供大量支持，是缓解软件危机的有效而可行的途径。计算机设计者利用当时成熟的微程序技术和快速发展的超大规模集成电路技术，添加了各种复杂的、高级的面向语言的指令，使得指令系统越来越庞大。这是几十年来人们在设计计算机时用来确保和提高指令系统有效性的传统思想和方法。

性能要求

指令系统的性能决定了计算机的基本功能，其设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需求。一个完善的教学体系应满足以下四个要求:

完整性

当用汇编语言编译各种程序时，指令系统直接提供的指令足以在没有软件的情况下使用。完整性要求丰富的指令系统、完整的功能和方便的使用。

有效期

这意味着由指令系统编写的程序可以高效运行。高效率主要表现在程序占用的存储空间小和执行速度快。

规则性

包括指令系统的指令格式和数据格式的对称性、一致性和一致性。对称性意味着指令系统中的所有寄存器和存储单元可以被同等对待，并且所有指令可以使用各种寻址方法。同质性意味着操作指令可以支持各种数据类型；指令格式和数据格式的一致性意味着指令长度和数据长度有一定的关系，便于处理和访问。

兼容性

至少应该实现“向上兼容”，即运行在低端机器上的软件可以运行在高端机器上。

执行步骤

指令的执行过程可以按时间顺序分为以下几个步骤。

(1)*处理器指令地址。指令指针寄存器(IP)-指令地址的内容通过地址总线发送到存储器的地址寄存器。

(2)从地址寄存器中读取指令。读取指令暂时存储在存储器的数据寄存器中。

③将指令发送到指令寄存器。指令从数据寄存器中取出，并通过数据总线发送到控制器的指令寄存器。

(4)指令解码。指令寄存器中的操作码部分被发送到指令译码器，指令译码器分析并产生相应的操作控制信号，并将它们发送到每个执行部分。

(5)按指令操作代码执行。

⑥修改程序计数器的值，以形成下一条要提取的指令的地址。如果执行是非分支指令，即顺序执行，则指令指针寄存器的内容增加1，以形成下一个要提取的指令的地址。指令指针寄存器也称为程序计数器。