基本介紹
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概述
指令系統是計算機硬體的語言系統，也叫機器語言，它是軟體和硬體的主要界面，從系統結構的角度看，它是系統程式設計師看到的計算機的主要屬性。因此指令系統表征了計算機的基本功能決定了機器所要求的能力，也決定了指令的格式和機器的結構。對不同的計算機在設計指令系統時，應對指令格式、類型及操作功能給予應有的重視。
指令系統
計算機所能執行的全部指令的集合，它描述了計算機內全部的控制信息和“邏輯判斷”能力。不同計算機的指令系統包含的指令種類和數目也不同。一般均包含算術運算型、邏輯運算型、數據傳送型、判定和控制型、輸入和輸出型等指令。指令系統是表征一台計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬體結構，而且也直接影響到系統軟體，影響到機器的適用範圍。
指令
運算元
計算機在運行過程需要的數據稱為運算元。
計算機指令系統 - 概況
各計算機公司設計生產的計算機，其指令的數量與功能、指令格式、定址方式、數據格式都有差別，即使是一些常用的基本指令，如算術邏輯運算指令、轉移指令等也是各不相同的。因此，儘管精簡指令系統計算結構(RISC)來設計晶片
各種型號計算機的高級語言基本相同，但將高級語言程式（例如Fortran語言程式）編譯成機器語言後，其差別也是很大的。因此將用機器語言表示的程式移植到其他機器上去幾乎是不可能的。從計算機的發展過程已經看到，由於構成計算機的基本硬體發展迅速，計算機的更新換代是很快的，這就存在軟體如何跟上的問題。大家知道，一台新機器推出交付使用時，僅有少量系統軟體（如作業系統等）可提交用戶，大量軟體是不斷充實的，尤其是應用程式，有相當一部分是用戶在使用機器時不斷產生的，這就是所謂第三方提供的軟體。
為了緩解新機器的推出與原有應用程式的繼續使用之間的矛盾，1964年在設計IBM360計算機時所採用的系列機思想較好地解決了這一問題。從此以後，各個計算機公司生產的同一系列的計算機儘管其硬體實現方法可以不同，但指令系統、數據格式、I/O系統等保持相同，因而軟體完全兼容（在此基礎上，產生了兼容機）。當研製該系列計算機的新型號或高檔產品時，儘管指令系統可以有較大的擴充，但仍保留了原來的全部指令，保持軟體向上兼容的特點，即低檔機或舊機型上的軟體不加修改即可在比它高檔的新機器上運行，以保護用戶在軟體上的投資。
指令的發展歷程
在70年代，高級語言己成為大、中、小型機的主要程式設計語言，計算機套用日益普及。由於軟體的發展超過了軟體設計理論的發展，複雜的軟體系統設計一直沒有很好的理論指導，導致軟體質量無法保證，從而出現了所謂的“軟體危機”。人們認為，縮小機器指令系統與高級語言語義差距，為高級語言提供很多的支持，是緩解軟體危機有效和可行的辦法。計算機設計者們利用當時已經成熟的微程式技術和飛速發展的VLSI技術，增設各種各樣的複雜的、面向高級語言的指令，使指令系統越來越龐大。這是幾十年來人們在設計計算機時，保證和提高指令系統有效性方面傳統的想法和作法。按這種傳統方法設計的計算機系統稱為複雜指令系統計算機(ComplexSetInstructionComputer)，簡稱CISC.
精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer），簡稱RISC，是一種計算機體系結構的設計思想，是近代計算機體系結構發展史中的一個里程碑。然而，直到現在，RISC還沒有一個確切的定義。90年代初，IEEE的MichaelSlater對於RISC的定義做了如下描述:RISC處理器所設計的指令系統應使流水線處理能高效率執行，並使最佳化編譯器能生成最佳化代碼。
1.RISC為使流水線高效率執行，應具有下述特徵:(1)簡單而統一格式的指令解碼;(2)大部分指令可以單周期執行完成;(3)只有LAD和STORE指令可以訪問存儲器;(4)簡單的定址方式;(5)採用延遲轉移技術;(6)採用LOAD延遲技術。
2.RISC為使最佳化編譯器便於生成最佳化代碼，應具有下述特徵：(1)三地址指令格式(2)較多的暫存器(3)對稱的指令格式。
減少指令平均執行周期數是RISC思想的精華
特點及要求
指令系統的性能決定了計算機的基本功能，它的設計直接關係到計算機的硬體結構和用戶的需要。一個完善的指令系統應滿足如下四方面的要求：
完備性
有效性
是指利用該指令系統所編寫的程式能夠高效率地運行。高效率主要表現在程式占據存儲空間小、執行速度快。
規整性
包括指令系統的對稱性、勻齊性、指令格式和數據格式的一致性。對稱性是指：在指令系統中所有的暫存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種定址方式；勻齊性是指：一種操作性質的指令可以支持各種數據類型；指令格式和數據格式的一致性是指：指令長度和數據長度有一定的關係，以方便處理和存取。
兼容性
至少要能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟體可以在高檔機上運行。
計算機指令系統 - 定址方式
根據指令內容確定運算元地址的過程稱為定址。完善的定址方式可為用戶組織和使用數據提供方便。
①直接定址：指令地址域中表示的是運算元地址。
④變址定址：指令地址域中表示的是變址暫存器號i和位移值D。將指定的變址暫存器內容E與位移值D相加,其和E+D為運算元地址。許多計算機具有雙變址功能，即將兩個變址暫存器內容與位移值相加，得運算元地址。變址定址有利於數組操作和程式共用。同時，位移值長度可短於地址長度，因而指令長度可以縮短。
⑤相對定址：指令地址域中表示的是位移值D。程式計數器內容（即本條指令的地址）K與位移值D相加，得運算元地址K+D。當程式在主存儲器浮動時，相對定址能保持原有程式功能。 此外，還有自增定址、自減定址、組合定址等定址方式。定址方式可由操作碼確定，也可在地址域中設標誌，指明定址方式。
計算機指令系統 - 種類
常見指令按功能可劃分為：
④輸入－輸出指令：包括各種外圍設備的讀、寫指令等。有的計算機將輸入－輸出指令包含在數據傳送指令類中。
⑤狀態管理指令：包括諸如實現置存儲保護、中斷處理等功能的管理指令。
隨著計算機系統結構的發展，有些計算機還不斷引入新指令。如“測並置”指令是為在多機系統和多道程式中防止重入公用子程式而設定的。指令先測試標誌位以判斷該子程式是否正在使用。如未被使用，則轉入子程式並置該標誌位，以防其他進程重入。後來又出現功能更強的信號（PV操作）指令。有的計算機還設定“執行”指令。“執行“指令執行由地址域所確定的存儲單元中的指令。其目的是避免用程式直接修改程式中的指令。這對程式的檢查和流水線等技術的套用均有好處。有的計算機採用堆疊實現程式的調用指令和返回指令。調用時將返回地址和各種狀態、參數壓入堆疊頂部，這樣就能較好地實現子程式的嵌套和遞歸調用，並可使子程式具有可重入性。另外，一些計算機使不少複雜的操作固定化，形成諸如多項式求值、佇列插項、佇列撤項和各種翻譯、編輯等指令。
數的地址（主存儲器起始地址或向量暫存器號），並直接或隱含地指定如增量、向量長度等其他向量參數。向量指令規定處理機按同一操作處理向量中的所有分量，可有效地提高計算機的運算速度。不具備向量處理功能，只對單個量即標量進行操作的指令稱為標量指令。
特權指令和用戶指令：在多用戶環境中，某些指令的不恰當使用會引起機器的系統性混亂。如置存儲保護、中斷處理、輸入輸出等這類指令，均稱為特權指令，不允許用戶直接使用。為此，處理機一般設定特權和用戶兩種狀態，或稱管（理）態和目（的）態。在特權狀態下，程式可使用包括特權指令在內的全部指令。在用戶狀態下，只允許使用非特權指令，或稱用戶指令。用戶如使用特權指令則會發生違章中斷。如用戶需要申請作業系統進行某些服務，如輸入－輸出等，可使用“廣義指令”，或稱為“進監督”、“訪管”等的指令。
計算機指令系統 - 指令格式
計算機是通過執行指令來處理各種數據的。為了指出數據的來源、操作結果的去向及所執行的操作，一條指令必須包含下列信息：
（1）操作碼。它具體說明了操作的性質及功能。一台計算機可能有幾十條至幾百條指令，每一條指令都有一個相應的操作碼，計算機通過識別該操作碼來完成不同的操作。
（2）運算元的地址。CPU通過該地址就可以取得所需的運算元。
（3）操作結果的存儲地址。把對運算元的處理所產生的結果保存在該地址中，以便再次使用。
（4）下條指令的地址。執行程式時，大多數指令按順序依次從主存中取出執行，只有在遇到轉移指令時，程式的執行順序才會改變。為了壓縮指令的長度，可以用一個程式計數器（ProgramCounter，PC）存放指令地址。每執行一條指令，PC的指令地址就自動+1（設該指令只占一個主存單元），指出將要執行的下一條指令的地址。當遇到執行轉移指令時，則用轉移地址修改PC的內容。由於使用了PC，指令中就不必明顯地給出下一條將要執行指令的地址。
一條指令實際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。操作碼（OperationCode，OP）用來表示該指令所要完成的操作（如加、減、乘、除、數據傳送等），其長度取決於指令系統中的指令條數。地址碼用來描述該指令的操作對象，它或者直接給出運算元，或者指出運算元的存儲器地址或暫存器地址（即暫存器名）。
指令包括操作碼域和地址域兩部分。根據地址域所涉及的地址數量，常見的指令格式有以下幾種。
①三地址指令：一般地址域中A1、A2分別確定第一、第二運算元地址,A3確定結果地址。下一條指令的地址通常由程式計數器按順序給出。
②二地址指令：地址域中A1確定第一運算元地址，A2同時確定第二運算元地址和結果地址。
⑤可變地址數指令：地址域所涉及的地址的數量隨操作定義而改變。如有的計算機的指令中的地址數可少至 0個，多至6個。
