第四章 01指令的基本格式

一、计算机的结构

1.1 现代计算机的结构

1.2 计算机的工作过程

操作码：做了什么

地址码：对谁动手

由的指令不需要地址码

二、指令的基本格式

2.1 本节总览

2.2 指令的定义

• 基本概念：指令（机器指令）是计算机执行操作的最小功能单位，由二进制代码组成。
• 指令系统：一台计算机所有指令的集合称为指令系统（指令集），如x86和ARM架构的指令集互不兼容。
• 执行限制：计算机只能执行自身指令系统中的指令，这是导致软件在不同架构设备（如PC和手机）间无法直接运行的根本原因。

2.3 指令格式

• 组成要素：指令由操作码(OP)和地址码(A)两部分组成，操作码指明”做什么”，地址码指明”对谁操作”。
• 地址码需求：不同操作对地址码数量的需求不同，如停机指令无需地址码，加减运算需要两个操作数地址。

2.4 零地址指令

• • 无操作数类型：如停机、关中断、空操作等指令，仅需操作码。
  • 堆栈计算机：操作数隐含在栈顶和次栈顶，通过后缀表达式实现运算，如A+B转换为AB+的栈操作过程。
  • 访存次数：典型情况下需要3次访存（取指令→读操作数→写结果）。

2.5 一地址指令

• 一地址指令
  • 单操作数运算：如加1、取反等操作，格式为OP(A1)→A1​，需3次访存。
  • 隐含寄存器操作：如(ACC)OP(A1)→ACC，其中一个操作数隐含在累加寄存器，仅需2次访存。
  • 指针类比：A1类似C语言指针，(A1)表示指针指向的内容。

2.6 二地址指令

2.7 三地址指令

2.8 四地址指令

• 特殊字段：除三个操作数地址外，A4字段直接指定下条指令地址。
• 流程控制：通过修改PC值实现跳转，不同于常规的PC自动+1顺序执行。
• 地址位数影响：地址码位数决定寻址范围，固定指令长度下地址码数量与单个地址码位数成反比。

2.9 指令-按地址码数目分类

2.10 指令 – 按指令长度分类

• 关键术语：
  • 指令字长：单条指令总长度（可变）
  • 机器字长：CPU整数运算处理位数（固定）
  • 存储字长：存储单元位数（通常等于MDR位数）
• 结构类型：
  • 定长指令字结构：所有指令长度相同（如半字长/单字长指令）
  • 变长指令字结构：指令长度可变，影响取指时间

2.11 指令 – 按操作码长度分类

• 定长操作码：所有指令操作码位数相同，控制器设计简单但指令数量受限（2ⁿ条）。
• 可变长操作码：操作码长度可变，提高指令设计灵活性但增加译码复杂度。
• 扩展操作码：定长指令字结构中实现可变操作码的特殊设计方法。

2.12 指令 – 按操作类型分类

• 数据传送类：如LOAD/STORE指令，实现主存与寄存器间数据交换。
• 运算类：包括算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非）和移位运算。
• 程序控制类：如jump/call/return指令，通过修改PC值改变程序流程。
• 输入输出类：实现CPU与I/O设备间的数据传送（涉及I/O端口概念）。

2.13 本节回顾

• 分类维度：地址码数目（0-4地址）、指令长度（定长/变长）、操作码长度（定长/可变）、操作类型（4大类）。
• 核心关系：指令字长、机器字长、存储字长三者的区别与联系。
• 设计权衡：地址码数量与寻址能力的反比关系，操作码长度与指令灵活性的正比关系。

三、扩展操作码指令格式

3.1 本节总览

• 基本组成：指令由操作码和若干个地址码组成
• 指令字结构分类：
  • 定长指令字结构：指令系统中所有指令长度相等
  • 变长指令字结构：指令系统中各种指令长度不等
• 操作码格式分类：
  • 定长操作码：所有指令的操作码长度相同
  • 可变长操作码：各指令的操作码长度可变
• 扩展操作码特点：采用定长指令字结构+可变长操作码，不同地址数的指令使用不同长度的操作码

3.2 扩展操作码

扩展操作码举例

• 设计原则：
  • 指令字长固定为16位
  • 每个地址码占4位

• 三地址指令设计：
  • 地址码占12位（3×4位）
  • 操作码剩余4位，最多表示2⁴=16种状态
  • 实际保留15条（0000-1110），保留1111用于扩展
• 二地址指令设计：
  • 前4位固定为1111
  • 中间4位操作码（0000-1110），保留1111用于扩展
  • 最多15条二地址指令
• 一地址指令设计：
  • 前8位固定为11111111
  • 中间4位操作码（0000-1110），保留1111用于扩展
  • 最多15条一地址指令
• 零地址指令设计：
  • 前12位固定为111111111111
  • 后4位操作码（0000-1111）
  • 最多16条零地址指令

设计扩展操作码指令格式时，需要注意的两点

• 关键设计规则：
  • 不允许短码是长码的前缀（类似哈夫曼编码的前缀规则）
  • 各指令的操作码不能重复
• 优化策略：
  • 高频指令分配更短的操作码
  • 可减少指令译码时间，简化电路设计

3.3 扩展操作码举例

• 题目要求：设计满足15条三地址、12条二地址、62条一地址、32条零地址指令的系统
• 解题步骤：
  • 三地址指令：4位操作码（0000-1110），保留1111用于扩展
  • 二地址指令：前4位1111+中间4位（0000-1011），保留1100-1111用于扩展
  • 一地址指令：前8位11111111+中间6位（000000-111101），表示62种状态
  • 零地址指令：前12位111111111111+后4位（0000-1111），表示32种状态
• 状态计算公式：若上一层留出m种状态，下一层可扩展m×2ⁿ种状态（n为地址码位数）
  • 三地址→二地址：1×16=16种（实际用12种）
  • 二地址→一地址：4×16=64种（实际用62种）
  • 一地址→零地址：2×16=32种（全部使用）

3.4 指令操作码

• 扩展操作码特点：
  • 优点：指令字长有限时仍能保持丰富指令种类
  • 缺点：增加指令译码难度，使控制器设计复杂化
• 定长操作码特点：
  • 优点：简化硬件设计，提高译码速度
  • 缺点：指令数量增加时会限制操作数地址位数
  • 最大指令数：2ⁿ条（n位操作码）
• 核心要点：掌握扩展操作码的设计方法和状态计算规则

3.5 总结

前提先明确

假设：

• 指令总长度固定为 16 位（就像一条短信固定 16 个字符）；
• 每个 “地址码”（表示操作数存在哪里）需要 4 位（因为 4 位二进制能表示 0~15，刚好对应 16 个不同的存储位置，够用）。

第一步：三地址指令（需要 3 个地址码）

三地址指令格式：[操作码][地址1][地址2][地址3]

• 3 个地址码共占：3×4=12 位；
• 剩下的操作码只能占：16-12=4 位（操作码长度 = 4 位）。

4 位操作码能表示多少种指令？4 位二进制有 16 种组合（0000~1111）。
但我们只用前 15 种（0000~1110）表示 15 条三地址指令，留最后 1 种（1111）不用。
→ 为什么留 1111？因为要用它当 “扩展信号”：告诉 CPU“这不是三地址指令的操作码，后面还有更长的操作码”。

第二步：二地址指令（需要 2 个地址码）

二地址指令格式：[操作码][地址1][地址2]

• 2 个地址码共占：2×4=8 位；
• 剩下的操作码能占：16-8=8 位（操作码长度 = 8 位）。

这 8 位操作码怎么来的？
前 4 位必须是刚才留的 “扩展信号 1111”（告诉 CPU：“我是更长的操作码，不是三地址指令”），后 4 位才是新的编码。
所以 8 位操作码范围是：1111 0000 ~ 1111 1111（前 4 位固定 1111，后 4 位变化）。

同样，我们只用其中 15 种（1111 0000 ~ 1111 1110）表示 15 条二地址指令，再留最后 1 种（1111 1111）当新的扩展信号。

第三步：一地址指令（需要 1 个地址码）

一地址指令格式：[操作码][地址1]

• 1 个地址码占 4 位；
• 操作码能占：16-4=12 位（操作码长度 = 12 位）。

这 12 位操作码的前 8 位，必须是上一步留的扩展信号 1111 1111（告诉 CPU：“我是更长的操作码，不是二地址指令”），后 4 位是新编码。
所以 12 位操作码范围是：11111111 0000 ~ 11111111 1111。

还是只用 15 种（11111111 0000 ~ 11111111 1110）表示 15 条一地址指令，留最后 1 种（11111111 1111）当新的扩展信号。

第四步：零地址指令（不需要地址码）

零地址指令格式：[操作码]（没有地址码）

• 操作码能占全部 16 位（操作码长度 = 16 位）。

这 16 位操作码的前 12 位，必须是上一步留的扩展信号 11111111 1111（告诉 CPU：“我是最长的操作码，没有地址”），后 4 位是新编码。
所以 16 位操作码范围是：111111111111 0000 ~ 111111111111 1111。
这次不用留扩展信号了（已经是最长的），所以 16 种编码全用，表示 16 条零地址指令。

总结：操作码怎么 “变长” 的？

指令类型	地址码数量	地址码总位数	操作码长度	操作码范围（举例）	指令数量
三地址	3	12	4 位	0000 ~ 1110	15 条
二地址	2	8	8 位	1111 0000 ~ 1111 1110	15 条
一地址	1	4	12 位	11111111 0000 ~ … 1110	15 条
零地址	0	0	16 位	111111111111 0000 ~ … 1111	16 条

核心逻辑：

• 地址码用得越少，操作码就能 “抢” 更多位数（因为总长度固定）；
• 每次都留 1 个操作码编码当 “扩展标志”，告诉 CPU “后面还有更长的操作码”，避免混淆（比如三地址的操作码里没有 1111，所以 CPU 看到 1111 就知道要往后看更多位）。

这样一来，16 位的指令字长就能放下 15+15+15+16=61 条指令，比固定 4 位操作码（只能 16 条）多得多～ 明白了吗？

3.6 补充

第一步：定位指令类型（看地址码数量）

表格列是 操作码 + 地址码（A₁、A₂、A₃），行的差异是 地址码数量减少，操作码占的位变多（因为指令总长度固定）。

第二步：逐行解析（核心是「1111」的作用）

第 1 行

• 格式：0000-1110 | A₁ | A₂ | A₃
• 含义：
  • 操作码占 前 4 位（0000~1110，共 15 种），留 1111 不用；
  • 后面跟 3 个地址码（A₁、A₂、A₃） → 三地址指令。

第 2 行

• 格式：1111 XXXX | 0000-1011 | A₁ | A₂（第一列的1111是关键！）
• 含义：
  • 前 4 位是 1111（这是扩展标记，告诉 CPU：“我不是 4 位操作码，后面还有操作码！”）；
  • 操作码扩展为 8 位（前 4 位1111 + 中间 4 位XXXX）；
  • 地址码只剩 2 个（A₁、A₂）（原来的 A₃被操作码占用了）→ 二地址指令。

第 3 行

• 格式：1111 11XX | 1100-1110 1111 | 0000-1111 0000-1101 | A₁
• 含义：
  • 前 6 位是 1111 11（继续扩展标记，因为上次留了1111，现在更 “长” 了）；
  • 操作码扩展为 12 位（前 6 位 + 后面 6 位）；
  • 地址码只剩 1 个（A₁）（A₂、A₃被操作码占用）→ 一地址指令。

第 4 行

• 格式：1111 1111 111X | 1111 | 1110-1111 | 0000-1111
• 含义：
  • 前 12 位是 1111 1111 111（终极扩展标记）；
  • 操作码占满 16 位（整个指令都是操作码）；
  • 地址码 0 个（A₁、A₂、A₃全被操作码占用）→ 零地址指令。

核心规律：「1111」是钥匙

• 每出现一次 1111（或更长的 1 序列），就代表 操作码变长，地址码少一个；
• 逻辑像 “俄罗斯套娃”：短操作码（4 位）是外层，长操作码（8、12、16 位）是内层，靠1111解锁内层。