《计算机组成原理》第 7 章 - 指令系统
目录
7.1 机器指令
7.1.1 指令的一般格式
📌 案例：简单指令格式模拟（Java）
7.2 操作数类型和操作类型
7.2.1 操作数类型
7.2.2 数据在存储器中的存放方式
大端模式 vs 小端模式
📌 案例：大端小端转换（Java）
7.2.3 操作类型
7.3 寻址方式
7.3.1 指令寻址
7.3.2 数据寻址
常见寻址方式：
7.4 指令格式举例
7.4.1 设计指令格式应考虑的因素
7.4.2 指令格式举例（假设 32 位指令）
7.4.3 指令格式设计举例（Java 类模拟）
7.5 RISC 技术
7.5.1 RISC 的产生和发展
7.5.2 RISC 的主要特征
7.5.3 RISC 和 CISC 的比较
📊 思维导图
🚀 流程图示例
7.1 机器指令
7.1.1 指令的一般格式
指令组成：操作码（OP） + 地址码（Address）
操作码：决定指令功能（如加法、跳转）
地址码：指示操作数或指令地址
📌 案例：简单指令格式模拟（Java）
/*** 模拟指令格式类*/
public class Instruction {private int opcode; // 操作码（4位，0-15）private int address; // 地址码（28位，0-2^28-1）// 构造方法：传入操作码和地址码public Instruction(int opcode, int address) {this.opcode = opcode & 0x0F; // 保留低4位作为操作码this.address = address & 0xFFFFFFF; // 保留低28位作为地址码}// 获取操作码public int getOpcode() {return opcode;}// 获取地址码public int getAddress() {return address;}public static void main(String[] args) {// 示例：加法指令（操作码0001），操作数地址0x123456Instruction addInst = new Instruction(0x01, 0x123456);System.out.println("操作码：" + addInst.getOpcode()); // 输出1System.out.println("地址码：" + addInst.getAddress()); // 输出123456}
}
7.2 操作数类型和操作类型
7.2.1 操作数类型
- 数据类型：整数、浮点数、字符、布尔
- 地址类型：存储器地址、寄存器地址
7.2.2 数据在存储器中的存放方式
大端模式 vs 小端模式
| 数据（0x12345678） | 大端模式（高位在前） | 小端模式（低位在前） |
|---|---|---|
| 地址 0x00 | 0x12 | 0x78 |
| 地址 0x01 | 0x34 | 0x56 |
| 地址 0x02 | 0x56 | 0x34 |
| 地址 0x03 | 0x78 | 0x12 |
📌 案例：大端小端转换（Java）
public class EndianConverter {// 大端转小端public static byte[] bigToLittle(byte[] bigEndian) {byte[] littleEndian = new byte[bigEndian.length];for (int i = 0; i < bigEndian.length; i++) {littleEndian[i] = bigEndian[bigEndian.length - 1 - i];}return littleEndian;}public static void main(String[] args) {byte[] big = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78}; // 大端模式数据byte[] little = bigToLittle(big); // 转换为小端System.out.println("小端模式：");for (byte b : little) {System.out.print(String.format("%02X ", b)); // 输出78 56 34 12}}
}
7.2.3 操作类型
- 算术运算：加减乘除
- 逻辑运算：与或非异或
- 数据传送：LOAD/STORE
- 控制转移：JMP/CONDITIONAL JUMP
7.3 寻址方式
7.3.1 指令寻址
- 顺序寻址：按 PC 自动递增寻址
- 跳跃寻址：通过 JMP 指令改变 PC 值
7.3.2 数据寻址
常见寻址方式：
- 立即寻址：操作数直接在指令中
int a = 10; // 立即数10 - 直接寻址：地址码为操作数地址
int[] arr = {1, 2, 3}; int b = arr[1]; // 直接寻址arr[1] - 间接寻址：地址码为指针地址
int x = 5; int* ptr = &x; // 指针存储x的地址（间接寻址） - 寄存器寻址：操作数在寄存器中
// 假设寄存器R1存储值为10 int c = R1; // 寄存器寻址
7.4 指令格式举例
7.4.1 设计指令格式应考虑的因素
- 字长
- 操作类型数量
- 寻址方式种类
- 寄存器数量
7.4.2 指令格式举例（假设 32 位指令）
| 操作码（4 位） | 寻址方式（2 位） | 寄存器号（3 位） | 地址码（23 位） |
|---|---|---|---|
| 0001（加法） | 01（直接寻址） | 001（R1） | 0x123456 |
7.4.3 指令格式设计举例（Java 类模拟）
/*** 扩展指令格式类*/
public class ExtendedInstruction {private int opcode; // 4位private int addressingMode; // 2位（0-3）private int regNum; // 3位（0-7）private int address; // 23位public ExtendedInstruction(int opcode, int addressingMode, int regNum, int address) {this.opcode = opcode & 0x0F;this.addressingMode = addressingMode & 0x03;this.regNum = regNum & 0x07;this.address = address & 0x1FFFFFF; // 23位掩码}public static void main(String[] args) {// 示例：乘法指令（0010），寄存器寻址（01），R2，地址0x89ABCExtendedInstruction mulInst = new ExtendedInstruction(0x02, 0x01, 0x02, 0x89ABC);System.out.println("操作码：" + mulInst.opcode); // 2System.out.println("寻址方式：" + mulInst.addressingMode); // 1}
}
7.5 RISC 技术
7.5.1 RISC 的产生和发展
- 背景：CISC 指令集复杂，执行效率低
- 发展：80 年代出现 RISC 架构（如 MIPS、ARM）
7.5.2 RISC 的主要特征
- 指令集简单（约 20-50 条基本指令）
- 单周期指令执行
- 大量通用寄存器
- 采用 LOAD/STORE 结构访问内存
7.5.3 RISC 和 CISC 的比较
| 特性 | RISC | CISC |
|---|---|---|
| 指令数量 | 少（简单指令） | 多（复杂指令） |
| 执行周期 | 单周期 | 多周期 |
| 设计重点 | 硬件执行效率 | 软件兼容性 |
| 典型架构 | ARM、RISC-V | x86 |
📊 思维导图
```mindmap
## **7.1 机器指令**
- 指令格式：操作码+地址码
## **7.2 操作数与操作类型**
- 数据类型：整数/浮点/字符
- 存储方式：大端/小端
- 操作类型：算术/逻辑/控制
## **7.3 寻址方式**
- 指令寻址：顺序/跳跃
- 数据寻址：立即/直接/间接
## **7.4 指令格式设计**
- 设计因素：字长/操作数/寻址
- 案例：32位指令格式
## **7.5 RISC技术**
- 特征：简单指令/单周期
- 对比：与CISC的主要区别
🚀 流程图示例
💡 说明：
- 代码均经过简化模拟，实际计算机指令系统需结合硬件架构
- 建议通过模拟器（如 QEMU、Mars MIPS）动手调试指令执行过程
- 关注后续章节：第 8 章 - 中央处理器（CPU）原理
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