指令系統(tǒng),指令系統(tǒng)是什么意思

指令格式
計算機(jī)的指令格式與機(jī)器的字長、存儲器的容量及指令的功能都有很大的關(guān)系。從便于程序設(shè)計、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度來看，指令中應(yīng)包含多種信息。但在有些指令中，由于部分信息可能無用，這將浪費(fèi)指令所占的存儲空間，并增加了訪存次數(shù)，也許反而會影響速度。因此，如何合理、科學(xué)地設(shè)計指令格式，使指令既能給出足夠的信息，又使其長度盡可能地與機(jī)器的字長相匹配，以節(jié)省存儲空間，縮短取指時間，提高機(jī)器的性能，這是指令格式設(shè)計中的一個重要問題。

計算機(jī)是通過執(zhí)行指令來處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息：

（1）操作碼。它具體說明了操作的性質(zhì)及功能。一臺計算機(jī)可能有幾十條至幾百條指令，每一條指令都有一個相應(yīng)的操作碼，計算機(jī)通過識別該操作碼來完成不同的操作。（2）操作數(shù)的地址。CPU 通過該地址就可以取得所需的操作數(shù)。（3）操作結(jié)果的存儲地址。把對操作數(shù)的處理所產(chǎn)生的結(jié)果保存在該地址中，以便再次使用。（4）下條指令的地址。執(zhí)行程序時，大多數(shù)指令按順序依次從主存中取出執(zhí)行，只有在遇到轉(zhuǎn)移指令時，程序的執(zhí)行順序才會改變。為了壓縮指令的長度，可以用一個程序計數(shù)器（Program Counter，PC）存放指令地址。每執(zhí)行一條指令，PC 的指令地址就自動 +1（設(shè)該指令只占一個主存單元），指出將要執(zhí)行的下一條指令的地址。當(dāng)遇到執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，則用轉(zhuǎn)移地址修改 PC 的內(nèi)容。由于使用了 PC，指令中就不必明顯地給出下一條將要執(zhí)行指令的地址。

一條指令實(shí)際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。操作碼（OperationCode，OP）用來表示該指令所要完成的操作（如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送等），其長度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。地址碼用來描述該指令的操作對象，它或者直接給出操作數(shù)，或者指出操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址（即寄存器名）。

一條指令就是機(jī)器語言的一個語句，它是一組有意義的二進(jìn)制代碼，指令的基本格式如：操作碼字段地址碼字段其中操作碼指明了指令的操作性質(zhì)及功能，地址碼則給出了操作數(shù)或操作數(shù)的地址。

各計算機(jī)公司設(shè)計生產(chǎn)的計算機(jī)，其指令的數(shù)量與功能、指令格式、尋址方式、數(shù)據(jù)格式都有差別，即使是一些常用的基本指令，如算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、轉(zhuǎn)移指令等也是各不相同的。因此，盡管各種型號計算機(jī)的高級語言基本相同，但將高級語言程序（例如 Fortran 語言程序）編譯成機(jī)器語言后，其差別也是很大的。因此將用機(jī)器語言表示的程序移植到其他機(jī)器上去幾乎是不可能的。從計算機(jī)的發(fā)展過程已經(jīng)看到，由于構(gòu)成計算機(jī)的基本硬件發(fā)展迅速，計算機(jī)的更新?lián)Q代是很快的，這就存在軟件如何跟上的問題。大家知道，一臺新機(jī)器推出交付使用時，僅有少量系統(tǒng)軟件（如操作系統(tǒng)等）可提交用戶，大量軟件是不斷充實(shí)的，尤其是應(yīng)用程序，有相當(dāng)一部分是用戶在使用機(jī)器時不斷產(chǎn)生的，這就是所謂第三方提供的軟件。為了緩解新機(jī)器的推出與原有應(yīng)用程序的繼續(xù)使用之間的矛盾，1964 年在設(shè)計 IBM360 計算機(jī)時所采用的系列機(jī)思想較好地解決了這一問題。從此以后，各個計算機(jī)公司生產(chǎn)的同一系列的計算機(jī)盡管其硬件實(shí)現(xiàn)方法可以不同，但指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、I/O 系統(tǒng)等保持相同，因而軟件完全兼容（在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了兼容機(jī)）。當(dāng)研制該系列計算機(jī)的新型號或高檔產(chǎn)品時，盡管指令系統(tǒng)可以有較大的擴(kuò)充，但仍保留了原來的全部指令，保持軟件向上兼容的特點(diǎn)，即低檔機(jī)或舊機(jī)型上的軟件不加修改即可在比它高檔的新機(jī)器上運(yùn)行，以保護(hù)用戶在軟件上的投資。

CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)）和RISC（精簡指令系統(tǒng)）

指令系統(tǒng)的發(fā)展和CISC設(shè)計思想
回顧計算機(jī)的發(fā)展歷史，指令系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜的演變過程。早在20世紀(jì)50-60年代，計算機(jī)大多數(shù)采用分立元件的晶體管或電子管組成，其體積龐大，價格也很昂貴，因此計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，所支持的指令系統(tǒng)也只有十幾至幾十條最基本的指令，而且尋址方式簡單。到60年代中期，隨著集成電路的出現(xiàn)，計算機(jī)的功耗、體積、價格等不斷下降，硬件功能不斷增強(qiáng)，指令系統(tǒng)也越來越豐富。在70年代，高級語言己成為大、中、小型機(jī)的主要程序設(shè)計語言，計算機(jī)應(yīng)用日益普及。由于軟件的發(fā)展超過了軟件設(shè)計理論的發(fā)展，復(fù)雜的軟件系統(tǒng)設(shè)計一直沒有很好的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致軟件質(zhì)量無法保證，從而出現(xiàn)了所謂的“軟件危機(jī)”。人們認(rèn)為，縮小機(jī)器指令系統(tǒng)與高級語言語義差距，為高級語言提供很多的支持，是緩解軟件危機(jī)有效和可行的辦法。計算機(jī)設(shè)計者們利用當(dāng)時已經(jīng)成熟的微程序技術(shù)和飛速發(fā)展的VLSI技術(shù)，增設(shè)各種各樣的復(fù)雜的、面向高級語言的指令，使指令系統(tǒng)越來越龐大。這是幾十年來人們在設(shè)計計算機(jī)時，保證和提高指令系統(tǒng)有效性方面?zhèn)鹘y(tǒng)的想法和作法。按這種傳統(tǒng)方法設(shè)計的計算機(jī)系統(tǒng)稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)(Complex Set Instruction Computer)，簡稱CISC.

RISC是一種計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，是近代計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展史中的一個里程碑。然而，直到現(xiàn)在，RISC還沒有一個確切的定義。90年代初，IEEE的Michael Slater對于RISC的定義做了如下描述: RISC處理器所設(shè)計的指令系統(tǒng)應(yīng)使流水線處理能高效率執(zhí)行，并使優(yōu)化編譯器能生成優(yōu)化代碼。

1.RISC為使流水線高效率執(zhí)行，應(yīng)具有下述特征: (1) 簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼; (2) 大部分指令可以單周期執(zhí)行完成; (3) 只有L AD和STORE指令可以訪問存儲器; (4) 簡單的尋址方式 ; (5) 采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù); (6) 采用LOAD 延遲技術(shù)。

2.RISC為 使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應(yīng)具有下述特征: (1) 三地址指令格 式 ; (2) 較多的寄存器 ; (3) 對稱的指令格式 。