### 计算机组成与体系结构第五章课件知识点总结
#### 一、指令与指令系统概述
**指令**是计算机程序的基本单位，由多个二进制位组成，用来指示计算机硬件执行特定的操作。它是计算机硬件可以直接识别和执行的信息体。
**指令系统**指的是计算机所能执行的所有指令的集合。一个良好的指令系统应该具备以下特性：
1. **完备性**：包含常用指令，便于编程；
2. **高效性**：程序占用内存少，运行速度快；
3. **规整性**：指令和数据使用规则统一，简单易学；
4. **兼容性**：同一系列计算机之间的软件兼容。
设计指令系统时，需平衡软件编程的便捷性和硬件实现的经济性与效率。
#### 二、指令格式与设计要求
指令的设计涉及到多个方面，包括指令字的长度、操作码的组织与编码等。
**指令字**由操作码和操作数地址两部分组成，其中操作码指示指令的功能，而操作数地址则说明操作数的位置。指令字的长度通常是机器字长的倍数，可以是半个、一个或两个机器字长等。
**操作码**的设计主要有以下几种方案：
1. **定长操作码组织方案**：操作码占据指令字中固定的位数，这种方式利于简化硬件设计并提高指令处理速度。但随着操作码位数的增加，指令数量也会相应增多，可能会导致指令字过长。
2. **变长操作码组织方案**：允许不同指令的操作码长度不同。对于操作数地址位数多且常用的指令，操作码长度可以适当减少；反之，对于操作数地址位数少的指令，则可以分配更多的位数给操作码。这种方式能够在较短的指令字中表示更多指令。
3. **操作码字段与操作数地址字段交叉**：在某些特殊场合下，操作码与操作数地址字段会有一定的交叉，甚至会区分主操作码和辅助操作码。这种方式不常用，但在某些计算机系统中可能会出现。
**操作码的扩展技术**：为了在有限的指令字长度内表示更多的指令，可以采用操作码扩展技术。例如，在16位指令字中，可以通过设置高位操作码来表示不同类型的指令，如零地址指令、一地址指令等。
#### 三、基本寻址方式
计算机指令中操作数地址的表示方法称为寻址方式。常见的寻址方式包括：
- **立即寻址**：操作数直接包含在指令中。
- **直接寻址**：操作数存放在指令指定的内存地址中。
- **寄存器寻址**：操作数存放在寄存器中。
- **间接寻址**：操作数的实际地址存放在指令指定的地址中。
- **相对寻址**：操作数地址相对于当前指令地址计算得出。
- **基址寻址**：操作数地址为基址寄存器内容与指令中形式地址之和。
- **变址寻址**：操作数地址为变址寄存器内容与指令中形式地址之和。
不同的寻址方式适用于不同的应用场景，合理的寻址方式可以提高程序的执行效率。
#### 四、指令系统举例
在学习计算机组成原理的过程中，通常会通过具体的计算机系统来分析其指令系统的特点。例如，可以通过分析IBM370机或PDP-11计算机的指令系统来深入理解不同指令格式的设计思想及其对计算机性能的影响。
#### 五、汇编语言程序设计
汇编语言是一种低级程序设计语言，它将指令系统中的每一条机器指令与助记符对应起来，使得程序员可以使用符号化的指令编写程序。汇编语言程序设计需要熟悉指令系统的具体细节，并且能够有效地利用各种寻址方式来优化程序的性能。
计算机指令与指令系统是计算机组成与体系结构中的核心概念之一。合理设计指令系统不仅能够提高程序的执行效率，还能够简化硬件设计，从而达到更好的系统性能。在实际应用中，根据不同的需求选择合适的指令格式和寻址方式对于优化程序至关重要。
