指令系统（指令集）

本课目标

理解指令与指令集的基本概念；掌握指令格式、寻址方式；区分RISC与CISC架构；看懂指令执行的基本流程，明白CPU如何解析并执行一条指令。

4.1 指令与指令集概述

指令 Instruction：CPU能够识别、执行的最小命令。一条指令用来完成一次简单操作，例如读取数据、加法运算、跳转。
指令集 Instruction Set：CPU支持的全部指令的集合，是硬件和软件之间的接口。程序员编写的高级语言代码，最终会编译/解释成CPU指令集中的指令。

一条指令通常包含两部分：

1. 操作码 Opcode：规定要执行什么操作（加、减、读、写、跳转）
2. 地址码 Address Code：指明参与运算的数据存放位置（寄存器、内存地址）

指令存储在存储器中，和数据一样以二进制编码保存，这也是冯·诺依曼“存储程序”思想的体现。

4.2 指令格式分类

按照地址码数量划分：

1. 零地址指令 Zero-address：无地址码，操作数默认在栈中，多用于栈式计算机
2. 一地址指令 One-address：一个地址，一个操作数，另一个隐含在累加器
3. 二地址指令 Two-address：两个地址，源操作数、目的操作数，最常用
4. 三地址指令 Three-address：源1、源2、目的，可读性强，但指令字长更长

指令字长：一条指令占用的二进制位数。

• 定长指令：所有指令长度固定，CPU译码简单，RISC常用
• 变长指令：指令长度不固定，CISC常用，编码紧凑，但硬件译码复杂

4.3 寻址方式 Addressing Mode

寻址：寻找操作数有效地址 EA 的方式，用来定位指令要处理的数据在哪里。

• 立即寻址 Immediate Addressing：操作数直接写在指令内，无需访问内存，速度快
• 直接寻址 Direct Addressing：地址码是内存单元地址，访问一次内存拿数据
• 间接寻址 Indirect Addressing：地址码指向内存单元，单元内才是真实数据地址，需要多次访存
• 寄存器寻址 Register Addressing：操作数放在CPU寄存器，无需访存，速度最快
• 寄存器间接寻址 Register Indirect Addressing：寄存器存放内存地址，需要访问内存
• 变址寻址 Indexed Addressing：基址+偏移量，适合数组遍历
• 基址寻址 Base Addressing：基址寄存器+偏移，广泛用于程序重定位、虚拟内存

4.4 CISC 与 RISC

CISC Complex Instruction Set Computer 复杂指令集

代表架构：x86（Intel/AMD PC处理器）

• 指令数量多，指令功能强弱差异大；
• 指令长度可变；
• 部分指令需要多个时钟周期完成；
• 硬件译码电路复杂。

RISC Reduced Instruction Set Computer 精简指令集

代表架构：ARM、RISC-V

• 指令数量少，指令功能简单规整；
• 定长指令；
• 大多指令单周期执行；
• 硬件简单，易于流水线实现；复杂任务靠多条简单指令组合完成。

4.5 指令执行过程

CPU执行一条指令，循环执行取指、译码、执行、写回：

1. 取指 Fetch：PC程序计数器给出指令地址，从内存读取指令送入指令寄存器IR；PC自动自增，指向下一条指令。
2. 译码 Decode：控制器解析操作码与地址码，判断操作类型、找到操作数。
3. 执行 Execute：ALU完成算术/逻辑运算，或完成内存读写、跳转。
4. 写回 Write-back：运算结果写回寄存器或主存。

跳转指令会修改PC的值，打破顺序执行，实现分支、循环。

本课小结

指令是CPU底层执行的命令，由操作码+地址码组成。寻址方式用来定位操作数。CISC指令丰富变长，RISC指令精简定长，更适合流水线。CPU持续重复取指-译码-执行-写回的指令周期，驱动程序运行。

思考练习

1. 一条指令由哪两部分组成，各自作用是什么？
2. 寄存器寻址为什么速度快于直接寻址？
3. 简述RISC与CISC的主要区别。
4. 简述一条指令完整执行的4个阶段。