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🎄本文主要梳理计算机组成原理中 指令系统的知识点和值得注意的地方 🎄
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目录

🍁指令系统的概念及指令格式

🌳寻址方式及指令寻址方式

🌻操作数寻址方式

🌸指令格式设计

🏵️MIPS指令概述

🪴MIPS指令详解

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🍁指令系统的概念及指令格式

• 指令概念

1. 指令
   1. 计算机能直接识别、执行的操作命令(机器指令);
   2. 冯诺依曼结构计算机“程序控制”原理实现的载体.
2. 指令系统(指令集)
   1. 一台计算机中所有机器指令的集合
   2. 系列机:同一公司不同时期生产，基本系统结构和指令系统相同的计算机。如IBM，PDP-11，VAX-11,Intel-x86
   3. 兼容机:不同公司生产，基本系统结构和指令系统相同的计算机如IBM兼容机
3. 指令字长
   1. 指令中包含的二进制位数
   2. 与机器字长相比: 单字长、双字长、半字长等长度指令
   3. 多字长指令
      1. 解决寻址较大存储空间的问题
      2. 取指多次访内，影响速度，占用空间大
   4. 等长指令 : 指令字长度固定 (简化)
   5. 变长指令 : 指令字长度根据需要可变 (复杂)

• 指令的分类
  • 根据计算机层次结构分类
  • 根据指令中地址码字段的个数分类
  • 根据指令中操作数的物理位置分类
  • 根据指令的功能分类

• 指令格式
  • 用二进制代码表示指令的结构形式

• 二说指令系统

 

🌳寻址方式及指令寻址方式

1.  指令的顺序寻址
   1. 程序的指令序列在主存顺序存放。执行时从第一条指令开始(!)，逐条取出并逐条执行，这种程序的顺序执行过程，称为顺序寻址方式 .
   2. CPU中设置程序计数器(PC)对指的顺序号进行计数。PC开始时存放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址直到程序结束。
2. 指令的跳跃寻址

🌻操作数寻址方式

1. 立即数寻址
2. 寄存器寻址
3. 直接寻址
4. 间接寻址
5. 寄存器间接寻址
6. 相对寻址
7. 基址寻址
8. 变址寻址
9. 总结

🌸指令格式设计

1. 指令格式设计的主要内容
2. 举例

🏵️MIPS指令概述

MIPS指令是一种精简指令集计算机（RISC）指令集，属于80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制成功的。MIPS指令集有多个版本，如MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV、MIPS V、MIPS32和MIPS64。

MIPS指令集有以下特点：

1. 简单的Load/Store结构：MIPS指令集采用简单的Load/Store结构，即指令主要涉及加载数据到寄存器（Load）和从寄存器中存储数据（Store）。这种结构简化了指令集的设计，并使得编译器更容易生成高效的代码。
2. 易于流水线CPU设计：MIPS指令集的另一个特点是易于流水线CPU设计。流水线设计是一种提高CPU性能的技术，它将指令执行过程划分为多个阶段，每个阶段由不同的硬件单元处理。这种设计可以使得CPU在执行指令时具有更高的吞吐量和更快的执行速度。
3. 易于编译器开发：MIPS指令集的设计使得编译器更容易生成高效的代码。由于MIPS指令集结构简单，编译器可以更轻松地分析代码并生成相应的指令序列。这有助于提高编译器的性能和生成代码的质量。
4. MIPS指令的寻址方式非常简单：MIPS指令的寻址方式相对简单，每条指令的操作也非常简单。这使得指令集更易于理解和实现，同时也有助于提高CPU的执行效率。
5. MIPS指令集广泛应用于嵌入式系统：在早期，MIPS指令集主要应用于嵌入式系统，如Windows CE的设备、路由器、家用网关和视频游戏机等。现在，MIPS指令集已经在PC机、服务器中得到广泛应用。

🪴MIPS指令详解

MIPS指令集包括R型、I型和J型指令，这些指令在计算机程序中有着不同的用途和功能。以下是对这些指令的详细解释：

1. R型指令（寄存器型指令）：
   R型指令是指操作数和保存结果均通过寄存器进行的指令。这些指令通常涉及对寄存器中的数据进行算术或逻辑操作，并将结果存储回原始寄存器或另一个寄存器中。R型指令包括加法、减法、乘法、除法等算术操作，以及与寄存器中的数据进行比较、位移等逻辑操作。

R型指令的格式通常为：opcode Rs Rd shamt funct。其中，opcode是操作码，Rs是源寄存器1，Rd是目标寄存器，shamt是移位量（当涉及到移位操作时），funct是具体的操作类型。

具体R型指令包括：

• 带有3个寄存器的指令：这些指令通常涉及对两个源寄存器中的数据进行算术或逻辑操作，并将结果存储到目标寄存器中。例如，ADD R1, R2, R3将把R2和R3中的内容相加，并将结果存储到R1中。
• 带有2个寄存器的指令：这些指令通常涉及对一个源寄存器中的数据进行算术或逻辑操作，并将结果存储到另一个寄存器中。例如，SUB R1, R2, R3将把R2和R3中的内容相减，并将结果存储到R1中。
• 带有1个寄存器的指令：这些指令通常只对一个寄存器中的数据进行操作，例如，MOV R1, #10将把常量值10加载到R1中。

1. I型指令（立即数型指令）：
   I型指令是指面向立即数的指令。立即数是指直接在指令中指定的常数值，而不是从内存或寄存器中获取的值。I型指令通常用于对常量和某些特定的寄存器进行算术或逻辑操作。

I型指令的格式通常为：opcode Rs Rd imm。其中，opcode是操作码，Rs是源寄存器（如果有），Rd是目标寄存器，imm是立即数。

具体I型指令包括：

• 面向运算的I型指令：这些指令通常涉及对两个立即数进行算术或逻辑操作，并将结果存储到目标寄存器中。例如，ADD I1, I2, I3将把I2和I3的值相加，并将结果存储到I1中。
• 面向访存的I型指令：这些指令通常涉及对一个立即数和内存地址进行算术或逻辑操作，并将结果存储到目标寄存器中。例如，LW R1, I2(mem)将从内存地址为I2的值加载到R1中。
• 面向数位设置的I型指令：这些指令通常涉及对一个立即数的特定位进行设置或清除操作。例如，BSET bit, I1将把I1中特定位的值设置为1。
• 面向条件转移（分支）的I型指令：这些指令通常用于根据条件进行跳转或分支操作。例如，BEQ I1, I2, label将比较I1和I2的值是否相等，如果相等则跳转到标签指定的位置。

1. J型指令（转移型指令）：
   J型指令是指向转移的指令。这些指令通常用于控制程序的执行流程，包括跳转、分支和子程序调用等操作。J型指令通常包含一个目标地址，程序将直接跳转到该地址执行相应的指令。

J型指令的格式通常为：opcode rs rd。其中，opcode是操作码，rs是源寄存器（如果有），rd是目标地址寄存器。