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计算机组成原理指令系统

目录指令系统概述指令格式与寻址方式指令集架构与设计指令执行过程与优化策略异常处理与中断机制总结与展望

01指令系统概述

指令系统是计算机硬件的语言系统，也叫机器语言，指机器所具有的全部用来指挥机器完成各种操作的一组命令。指令系统定义指令系统是软件和硬件的主要界面，从系统结构的角度看，它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能同时也决定了机器所能被要求的能力，也决定了指令的格式和机器的结构。指令系统功能指令系统定义与功能

第一代计算机（1946-1957）：没有操作系统的支持，采用机器语言或汇编语言编写程序，计算机只能接收和执行由0和1组成的二进制代码表示的指令和数据。第三代计算机（1965-1970）：操作系统得到进一步发展，计算机可以接收和执行高级语言编写的程序，同时指令系统也更加丰富和完善。第四代计算机（1971年至今）：出现微处理器和微型计算机，计算机的体积不断缩小，而功能和性能不断增强。同时，指令系统也不断发展和完善，出现了更多的寻址方式和复杂的指令格式。第二代计算机（1958-1964）：开始出现操作系统，计算机可以接收和执行由助记符表示的指令和数据，使得编程更加容易。指令系统发展历程

CISC指令集，也称为复杂指令集，英文名是ComplexInstructionSetComputer的缩写，它是为了增强原有指令集的功能而设置的，主要是通过增加一些复杂的指令来实现某些特定的功能。CISC的设计思路是尽可能使用一条指令完成一个复杂的操作，以提高处理器的执行效率。复杂指令集（CISC）RISC是英文“ReducedInstructionSetComputing”的缩写，中文意思是“精简指令集”。它是在CISC指令系统基础上发展起来的，有人对CISC机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20％，但在程序中出现的频度却占80％。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使处理器的研制时间长，成本高。并且复杂指令需要复杂的操作，必然会降低计算机的速度。基于上述原因，20世纪80年代RISC型CPU诞生了，相对于CISC型CPU,RISC型CPU不仅精简了指令系统，还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”，大大增加了并行处理能力。精简指令集（RISC）指令系统分类及特点

02指令格式与寻址方式

03扩展性指令格式应具有一定的扩展性，以适应未来计算机体系结构的发展。01规整性指令格式应该规整，方便硬件对指令的解析和执行。02紧凑性在满足规整性的前提下，应尽量减小指令长度，提高存储和传输效率。指令格式设计原则

立即寻址操作数就在指令中，紧跟在操作码后面，作为指令一部分存放在内存的代码段中，该操作数为立即数，这种寻址方式称为立即寻址方式。存储单元的有效地址EA（即操作数的有效地址）直接由指令给出。操作数所在内存单元的地址通过存储器间接给出。操作数包含在寄存器中，寄存器的名称由指令指定。操作数所在内存单元的地址通过寄存器间接给出。直接寻址寄存器寻址寄存器间接寻址间接寻址寻址方式分类及特点

直接寻址举例如LDA#DATA，表示将数据段中地址为DATA的存储单元的内容加载到累加器中。立即寻址举例如ADDR1,#5，表示将立即数5加到寄存器R1中。间接寻址举例如JMP@A，表示跳转到以A为地址指针的存储单元所指向的地址。寄存器间接寻址举例如LEAR1,[BX]，表示将BX寄存器的内容作为地址指针，将该地址的内容加载到R1寄存器中。寄存器寻址举例如MOVAX,BX，表示将BX寄存器的内容传送到AX寄存器中。典型寻址方式举例

03指令集架构与设计

是计算机硬件与软件之间的接口，定义了计算机可以执行的所有指令的集合以及这些指令的操作方式。为软件开发者提供了一套标准的编程模型，使得开发者可以使用特定的指令集来编写程序，实现各种复杂的计算任务。指令集架构定义及作用作用指令集架构（ISA）

包含大量复杂且功能强大的指令，每条指令可以完成多个操作。特点程序代码相对紧凑，执行效率高。优点常见指令集架构类型及特点

缺点硬件设计复杂，功耗较高。特点只包含少量简单且基本的指令，每条指令只完成一个操作。常见指令集架构类型及特点

常见指令集架构类型及特点优点硬件设计简单，功耗低，易于实现流水线操作。缺点程序代码相对较长，需要更多的内存和存储空间。

自定义指令集架构设计思路设计指令格式和操作码定义指令的格式和操作码，确保指令的正确解析和执行。选择合适的指令集类型根据应用场景和需求，选择CISC或RISC作为设计基础。确定目标应用场景针对特定的应用场景和需求，设计相应的指令集架构。实现指令的硬件逻辑根据设计的指令格式和操作码，实现相应