本文参考于《2021年计算机组成原理考研复习指导》（王道考研），《计算机组成原理》 思维导图：

  指令（又称机器指令）是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。 指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。

  一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分：   其中，操作码指出指令中该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能。操作码是识别指令、了解指令功能及区分操作数地址内容的组成和使用方法等的关键信息。例如，指出是算术加运算还是算术减运算，是程序转移还是返回操作。   地址码给出被操作的信息（指令或数据）的地址（这里的“地址”可以是主存地址，也可以是寄存器的地址，甚至可以是I/O设备的地址），包括参加运算的一个或多个操作数所在的地址、运算结果的保存地址、程序的转移地址、被调用的子程序的入口地址等。   指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数。指令字长取决于操作码的长度、操作数地址码的长度和操作数地址的个数。指令长度与机器字长没有固定的关系，它可以等于机器字长，也可以大于或小于机器字长。 通常，把指令长度等于机器字长的指令称为单字长指令，指令长度等于半个机器字长的指令称为半字长指令，指令长度等于两个机器字长的指令称为双字长指令。   在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，则称为定长指令字结构。若各种指令的长度随指令功能而异，则称为变长指令字结构。 因为主存一般是按字节编址的，所以指令字长多为字节的整数倍。   根据指令中操作数地址码的数目的不同，可将指令分成以下几种格式：

  只给出操作码OP，没有显式地址。这种指令有两种可能：   （1）不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等   （2）零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中。通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈。

  根据操作码的含义不同，有两种常见形态：   （1）只有目的操作数的单操作数指令，按A1地址读取操作数，进行OP操作后，结果存回原地址。指令含义：OP（A1）——>A1；   如操作码含义是加1、减1、求反、求补等   （2）隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址A1可读取源操作数，指令可隐含约定另一个操作数由ACC提供，运算结果也将存放在ACC中。指令含义：（ACC）OP（A1）——>ACC；   若指令字长为32位，操作码占8位，1个地址码字段占24位，则指令操作数的直接寻址范围为224=16M；

  指令含义：（A1）OP（A2）——>A1；   对于常用的算术和逻辑运算指令，往往要求使用两个操作数，需分别给出目的操作数和源操作数的地址，其中目的操作数地址还用于保存本次的运算结果。   若指令字长为32位，操作码占8位，两个地址码字段各占12位，则指令操作数的直接寻址范围为212=4K

  指令含义：（A1）OP（A2）——>A3   若指令字长为32位，操作码占8位，3个地址码字段各占8位，则指令操作数的直接寻址范围为28=256。若地址字段均为主存地址，则完成一条三地址需要4次访问存储器（取指令1次，取两个操作数2次，存放结果1次）

  指令含义：（A1）OP（A2）——>A3，A4=下一条将要执行指令的地址   若指令字长为32位，操作码占8位，4个地址码字段各占6位，则指令操作数的直接寻址范围为26=64

  定长操作码指令在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示2n条指令。

  为了在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类，可采取可变长度操作码，即全部指令的操作码字段的尾数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。   最常见的变长操作码方法是扩展操作码，它使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可具有不同长度的操作码， 从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。下图为一种扩展操作码的安排方式：   在图中，指令字长为16位，其中4位为基本操作码字段OP，另有3个4位长的地址字段A1、A2、A3。图中所示的三地址指令为15条，1111留作扩展操作码之用；二地址指令15条，1111 1111留作扩展操作码之用；一地址指令为15条，1111 1111 1111留作扩展操作码之用；零地址指令为16条。   除这种安排外，还有其他多种扩展方法，如形成15条三地址指令、12条二地址指令、63（3x16+15）条一地址指令和16条零地址指令。   在设计扩展操作码指令格式时，须注意：   （1）不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同   （2）各指令的操作码不能重复   通常情况下，对使用频率较高的指令分配较短的操作码，对使用频率较低的指令分配较长的操作码。

  例题：一个计算机系统采用32位单字长指令，地址码为12位，若定义了250条二地址指令，则还可以有（）条单地址指令

  答案：24K；

  例题：一处理器中共有32个寄存器，使用16位立即数，其指令系统结构中共有142条指令。在某个给定的程序中，20%的指令带有一个输入寄存器和一个输出寄存器；30%的指令带有两个输入寄存器和一个输出寄存器；25%的指令带有一个输入寄存器、一个输出寄存器、一个立即数寄存器；其余25%的指令带有一个立即数输入寄存器和一个输出寄存器。   （1）对于以上4种指令类型中的任意一种指令类型来说，共需多少位？假定指令系统结构要求所有指令长度必须是8的整数倍   （2）与使用定长指令集编码相比，当采用变长指令集编码时，该程序能够少占用多少存储器空间？

  答案：（1）由于有142条指令，因此至少需要8位才能确定各条指令的操作码。20%的一个输入寄存器和一个输出寄存器指令需要18位，对齐到24位；30%的两个输入寄存器和一个输出寄存器需要23位，对齐到24位；25%的一个输入寄存器、一个输出寄存器、一个立即数寄存器指令需要34位，对齐到40位；25%的一个立即数输入寄存器和一个输出寄存器需要29位，对齐到32位；   （2）由于变长指令最长的长度为40位，所以定长指令编码每条指令的长度均为40位。而采用变长编码，平均长度为30位。能少占用25%的存储空间。

  例题：假设指令字长为16位，操作数的地址码为6位，指令有零地址、一地址、二地址三种格式。   （1）设操作码固定，若零地址指令有M种，一地址指令有N种，则二地址指令最多有几种   （2）采用扩展操作码技术，二地址指令最多有几种   （3）采用扩展操作码技术，若二地址指令有P条，零地址指令有Q条，则一地址指令最多有几种

  答案：（1）16-M-N；（2）15种；（3）（16-P）x 2^6-Q x 2 ^(-6);二地址指令操作码每减少一个，可多构成2 ^6条一地址指令操作码；一地址指令操作码每减少一个，可多构成2 ^6条零地址指令操作码；

  例题：在一个36位长的指令系统中，设计一个扩展操作码，使之能表示下列指令：   （1）7条具有两个15位地址和一个3位地址的指令   （2）500条具有一个15位地址和一个3位地址的指令   （3）50条无地址指令

  答案：   例题：某模型机共有64种操作码，位数固定，且具有以下特点：   （1）采用一地址或二地址格式   （2）有寄存器寻址、直接寻址和相对寻址（位移量为-128~+127）3种寻址方式   （3）有16个通用寄存器，算术运算和逻辑运算的操作数均在寄存器中，结果也在寄存器中   （4）取数/存数指令在通用寄存器和存储器之间传送数据   （5）存储器容量为1MB，按字节编址   要求设计算术逻辑指令，取数/存数指令和相对转移指令的格式，并简述理由

  答案：应有寻址特征位；

  寻址方式是指寻找指令或操作数有效地址的方式，即确定本条指令的数据地址及下一条待执行指令的地址的方法。寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类。   指令中的地址码字段并不代表操作数的真实地址，这种地址称为形式地址A。形式地址结合寻址方式，可计算出操作数在存储器中的真实地址，这种地址称为有效地址EA。

  寻找下一条将要执行的指令地址称为指令寻址； 寻找操作数的地址称为数据寻址。

  指令寻址方式有两种：顺序寻址方式与跳跃寻址方式。   （1）顺序寻址可通过PC+1（1个指令字长），自动形成下一条指令的地址   （2）跳跃寻址通过转移类指令实现。所谓跳跃，是指下一条指令的地址码不由程序计数器给出，而由本条指令给出下条指令地址的计算方式。 是否跳跃可能受状态寄存器和操作数的控制，而跳跃到的地址分为绝对地址（由标记符直接得到）和相对地址（相对于当前指令地址的偏移量），跳跃的结果是当前指令修改PC值，所以下一条指令仍然通过PC给出。

  为区别数据寻址的不同方式，通常在指令字中设一个字段，用来指明属于哪种寻址方式。

  这种类型的指令不明显地给出操作数的地址，而在指令中隐含操作数的地址。 例如，单地址的指令格式就不明显地在地址字段中指出第二操作数的地址，而规定累加器ACC作为第二操作数地址，指令格式明显指出的仅是第一操作数的地址。因此，累加器ACC对单地址指令格式来说是隐含寻址。   隐含寻址的优点是有利于缩短指令字长；缺点是需增加存储操作数或隐含地址的硬件。

  这种类型的指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称立即数。 数据采用补码形式存放。   #表示立即寻址特征，A就是操作数本身   立即寻址的优点是指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短； 缺点是A的位数限制了立即数的范围。

  指令字中的形式地址A是操作数的真实地址EA，即EA=A   直接寻址的优点是简单，指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址；缺点是A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改。

  指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真实地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地址，即EA=（A）。间接寻址可以是一次间接寻址，也可是多次间接寻址。   在图中两次间接寻址中，主存字第一位为1时，表示取出的仍不是操作数的地址，即多次间址；主存字第一位为0时，表示取得的是操作数的地址。 （当多次间接寻址时，可用存储字的首位来标志间接寻址是否结束，存储字的首位不能作为EA的组成部分）   间接寻址的优点是可扩大寻址范围（有效地址EA的位数大于形式地址A的位数）， 便于编制程序（用间接寻址可方便地完成子程序返回）；缺点是指令在执行阶段要多次访存（一次间接寻址需2次访存，多次间接寻址需根据存储字的最高位确定访存次数）。 由于访问速度过慢，这种寻址方式并不常用。一般问到扩大寻址范围时，通常指的是寄存器间接寻址。

  寄存器寻址是指在指令字中直接给出操作数所在的寄存器的编号，即EA=Ri，其操作数在由Ri所指的寄存器内。   寄存器寻址的优点是指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器， 因寄存器数量较少，对应地址码长度较小，使得指令字短且因不用访存，所以执行速度快，支持向量/矩阵运算；缺点是寄存器价格昂贵，计算机中的寄存器数量有限。

  寄存器间接寻址是指在寄存器Ri中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即EA=（Ri）。   寄存器间接寻址的特点是，与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存（因为操作数在主存中）。

  相对寻址是把PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即EA=（PC）+A，其中A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。   A的位数决定操作数的寻址范围。   相对寻址的优点是操作数的地址不是固定的，它随PC值的变化而变化，且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动。 相对寻址广泛用于转移指令。

  对于转移指令JMP A，当CPU从存储器中取出一字节时，会自动执行（PC）+1——>PC。 若转移指令的地址为X，占2B，则在取出该指令后，PC的值会增2，即（PC）=X+2， 这样在执行完该指令后，会自动跳转到X+2+A的地址继续执行。

  基址寻址是指将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即EA=（BR）+A。 其中基址寄存器既可采用专用寄存器，又可采用通用寄存器。（基址寄存器可采用隐式的和显式的两种。所谓隐式，是在计算机内专门设有一个基址寄存器BR，使用时用户不必明显指出该基址寄存器，只需由指令的寻址特征位反映出基址寻址即可。显式是在一组通用寄存器里，由用户明确指出哪个寄存器作为基址寄存器）   基址寄存器是面向OS的，其内容由OS或管理程序确定，主要用于解决程序逻辑空间与存储器物理空间的无关性。 在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变（作为基地址），形式地址可变（作为偏移量）。 采用通用寄存器作为基址寄存器时，可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器，但其内容仍由OS确定。

  基址寻址的优点是可扩大寻址范围（基址寄存器的位数大于形式地址A的位数）；用户不必考虑自己的程序存于主存的哪个空间区域，因此有利于多道程序设计，并可用于编制浮动程序，但偏移量（形式地址A）的位数较短。

  基址寻址在多道程序中极为有用。用户可不必考虑自己的程序存于主存的哪一空间区域，完全可由OS或管理程序根据主存的使用情况，赋予基址寄存器内一个初始值（即基地址），便可将用户程序的逻辑地址转化为主存的物理地址（实际地址），把用户程序安置于主存的某一空间区域

  变址寻址是指有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容之和，即EA=（IX）+A， 其中IX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。   变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变（作为偏移量），形式地址A不变（作为基地址）。   变址寻址的优点是可扩大寻址范围（变址寄存器的位数大于形式地址A的位数）；在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序。 偏移量（变址寄存器IX）的位数足以表示整个存储空间。   变址寻址与基址寻址的有效地址形成过程极为相似。但从本质上来讲，两者有较大区别。基址寻址面向系统，主要用于为多道程序或数据分配存储空间，因此基址寄存器的内容通常由OS或管理程序确定，在程序的执行过程中其值不可变，而指令字中的A是可变的；变址寻址立足于用户，主要用于处理数组问题，在变址寻址中，变址寄存器的内容由用户设定，在程序执行过程中其值可变，而指令字中的A是不可变的。

  堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的、按后进先出原则管理的存储区，该存储区中读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针（SP）。堆栈可分为硬堆栈与软堆栈两种。   寄存器堆栈又称硬堆栈。寄存器堆栈的成本高，不适合做大容量的堆栈；而从主存中划出的一段区域来做堆栈是最常用的方法，这种堆栈称软堆栈。   在采用堆栈结构的计算机系统中，大部分指令表面上都表现为无操作数指令的形式，因为操作数地址都隐含使用了SP。通常，在读/写堆栈中的一个单元的前后都伴有自动完成对SP内容的增量或减量操作

  寻址方式、有效地址、访存次数（不包含为取本条指令而做的访存）的总结：

  各常见指令寻址方式的特点和适用情况：   立即寻址操作数获取便捷，通常用于给寄存器赋初值   直接寻址相对于立即寻址，缩短了指令长度   间接寻址扩大了寻址范围，便于编制程序，易于完成子程序返回   寄存器寻址的指令字较短，指令执行速度较快   寄存器间接寻址扩大了寻址范围   基址寻址扩大了操作数寻址范围，适用于多道程序设计，常用于为程序或数据分配存储空间   变址寻址主要用于处理数组问题，适合编制循环程序   相对寻址用于控制程序的执行顺序、转移等

  X86处理器中有8个32位的通用寄存器，各寄存器及说明如图：   为了向后兼容，EAX、EBX、ECX、EDX的高2位字节和低2位字节可独立使用，E为Extended，表示32位的寄存器。例如，EAX的低两位字节称为AX，而AX的高低字节又可分别作为两个8位寄存器，分别称为AH和AL。寄存器的名称大小写均可。

  （1）寻址模式   以mov指令为例，mov用于在内存和寄存器之间移动数据，它有两个参数：第一个是目的地址，第二个是源地址。

  （2）数据类型长度规定   在汇编语言中声明内存大小时，一般显式地使用DB（D表示Data，B表示Byte）、DW（W表示Word,2Bytes）和DD（Double Word,4Bytes）。X86提供了三个指示规则标记，分别为BYTE PTR、WORD PTR和DWORD PTR，如：

  汇编指令通常可分为数据传送指令、逻辑计算指令和控制流指令。以下用于操作数的标记分别表示寄存器、内存和常数：   < reg >:表示任意寄存器，若其后带有数字，则指定其位数，如< reg32 >表示32位寄存器（EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP或EBP）；< reg16 >表示16位寄存器（AX、BX、CX或DX）；< reg8 >表示8位寄存器（AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL）   < mem >：表示内存地址（如[eax]、[var+4]或dword ptr[eax+ebx]）   < con >:表示8位、16位或32位常数。如< con8 >表示8位常数;   X86中的指令机器码长度为1字节，对同一指令的不同用途有多种编码方式，如：

  （1）数据传送指令   mov指令：   mov指令将第二个操作数（寄存器的内容、内存中的内容或常数值）复制到第一个操作数（寄存器或内存）。但不能用于直接从内存复制到内存。

  push指令：   push指令将操作数压入内存的栈，常用于函数调用。ESP是栈顶，压栈前先将ESP值减4（栈增长方向与内存地址增长方向相反），然后将操作数压入ESP指示的地址。

  pop指令：   出栈前先将ESP指示的地址中的内容出栈，然后将ESP值+4

  （2）算术与逻辑运算指令   add/sub指令：   add指令将两个操作数相加，相加的结果保存到第一个操作数中。sub指令用于两个操作数相减，相减的结果保存到第一个操作数中。