第5章指令系統(tǒng)業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計設(shè)計指令系統(tǒng)時，必須考慮到指令系統(tǒng)中需要包含的因素，如操作碼種類、尋址方式種類、可尋址的范圍、寄存器數(shù)目、地址碼種類等等，設(shè)計時要綜合考慮。操作碼的位數(shù)決定了指令系統(tǒng)的規(guī)模。也就是說，操作碼字段的位數(shù)越長，可以設(shè)計的指令種類就越多。操作碼可以是一個固定長度的代碼，也可以是可變長度的代碼。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計指令采用固定長度的操作碼時，操作碼部分長度相同，編碼簡單，只需對不同的指令確定一個不同的二進制編碼就可以了。長度n位的操作碼可代表2n種不同的指令。這種方式不利于指令系統(tǒng)中增加新的指令。可變長度的操作碼是指每條指令可以有不同長度的操作碼。為了區(qū)分不同指令，可以根據(jù)操作碼的前綴進行判斷。例如一條指令的操作碼是1100，則其他指令的操作碼前4位就不能是1100，否則譯碼器進行譯碼時不能區(qū)別兩條指令的操作碼。采用可變長度的操作碼便于增加新的指令，提高了指令系統(tǒng)的可擴展性。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計地址碼的位數(shù)決定了訪問操作數(shù)的尋址范圍，即可訪問的內(nèi)存的規(guī)模。地址碼部分如果包含有尋址方式，那么地址碼位數(shù)越長，可以提供的尋址方式越多，給程序設(shè)計者的選擇就越多。指令長度為操作碼和地址碼長度之和，可以是變長度和固定長度。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計[例5-3]某機主存容量為64K*16，寄存器長度為16。變址寄存器1個。要求設(shè)計指令系統(tǒng)，每條指令都為單字長、單地址形式，采用固定操作碼，共有指令60種，有直接尋址、存儲器間接尋址、變址尋址、相對尋址4種尋址方式。計算每種尋址方式的尋址范圍。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計解：CPU字長16位，所以指令長度為16位。指令60種，則固定操作碼需要6位編碼。4種尋址方式，尋址方式字段編碼要2位。剩余為地址碼部分，為16-6-2=8位。計算每種尋址方式的尋址范圍：（1）直接尋址：地址碼長度8位，可尋址28=256字節(jié)。（2）存儲器間接尋址：地址碼代表一個單元，單元中可以放16位地址，216=64K字節(jié)。（3）變址尋址：變址寄存器中地址+指令地址碼的值=216+28-1字節(jié)。（4）相對尋址：PC寄存器中地址+指令地址碼的值=216+28-1字節(jié)。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計[例5-4]某臺計算機有100條指令。（1）當(dāng)采用固定長度操作碼編碼，操作碼的長度是多少？（2）假如這100條指令中有10條指令的使用概率是90%，其余90條指令的使用概率為10%。設(shè)計一種可變長度的操作碼編碼方案，求出操作碼的平均長度。解：（1）采用固定長度操作碼時，100條指令需要采用7位操作碼。（2）采用可變長度的操作碼編碼方案時，為10條使用概率90%的指令分配4位編碼0000~1001。用1010~1111作為代碼前綴，再擴展4位得到10100000~11111110的8位操作碼，用于其余90條指令。指令操作碼的平均長度=4×90%+8×10%=4.4位。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計[例5-5]某機字長16位，16個寄存器都可以作為變址寄存器，采用擴展操作碼方式設(shè)計指令系統(tǒng)格式及操作碼編碼，要求可以直接尋址128字節(jié)，變址的位移量可以是-64~63，并且具有：（1）直接尋址的二地址指令3種。（2）變址尋址的一地址指令6種。（3）寄存器尋址的二地址指令8種。（4）直接尋址的一地址指令12種。（5）零地址指令32種。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計解：（1）直接尋址的二地址指令：指令格式包含操作碼、地址碼1、地址碼2。要求尋址空間為128字節(jié)，則地址碼長度為7，所以操作碼位數(shù)=16-2×7=2。用00、01、10作為3種指令的編碼。（2）變址尋址的一地址指令：指令格式包含操作碼、地址碼1和變址位移量。變址位移量為-64~63，所以位移量字段需要7位。地址碼1為變址寄存器編碼字段，16個寄存器要4位。所以操作碼位數(shù)16-7-4=5位。用11作為這類指令操作碼前綴，擴展3位編碼得到6種指令。操作碼編碼為11000~11101。業(yè)精于勤而荒于嬉，行成于思而毀于隨5.3指令格式設(shè)計解：（3）寄存器尋址的二地址指令：指令格式包含操作碼、寄存器地址1、寄存器地址2。寄存器有16個，需4位編碼，所以操作碼是16-4-4=8位。用11110作為前綴，擴展3位編碼得到8條指令。操作碼編碼為11110000~11110111。（4）直接尋址一地址指令：指令格式包含操作碼、地址碼1。直接尋址128字節(jié)，則地址碼為7位，操作碼部分16-7=9位。用11111作為前綴，擴展4位編碼得到12條指令。操作碼編碼為111110000~111111011。（5）零地址指令。指