指令操作码

操作码 (Opcode, OP) 决定了指令的功能。每个指令系统中，每条指令都有唯一的 OP。

设计形式

规整型操作码

• 操作码字段的 位数 和 位置 固定。
• 优点：简化硬件设计，减少译码时间。
• 示例：
  • IBM 360/370：大型机系统，尽管指令长度有半字长（16 位）、单字长（32 位）、一个半字长（48 位）之分，但其操作码一律为 8 位。 重点

非规整型操作码

• 操作码字段的位数不固定。
• 示例：
  • PDP-11：16 位微型机，指令长度有 16、32、48 位，操作码长度也有 4、8、10、13、16 位等多种变化。这增加了译码和分析的难度，使控制器设计更复杂。

扩展操作码技术

为了在有限的指令字长内支持更多指令，常采用扩展操作码技术：

• 原则：操作数地址个数多的指令，操作码短；操作数地址个数少的指令，操作码长。 重点
• 实现：通过保留某个状态作为扩展窗口（Extension Window）。

设计实例

假设某机器指令字长为 16 位，每个地址码为 4 位。

1. 三地址指令：

   • 格式：OP(4位) | A1(4位) | A2(4位) | A3(4位)
   • 如果采用定长编码，4 位 OP 最多支持 16 条指令。
   • 扩展设计：
     • 使用 OP 的 0000 ~ 1110 (15 种状态) 表示 15 条三地址指令。
     • 保留 1111 作为扩展窗口，进入下一级。

2. 二地址指令：

   • 格式：OP(8位) | A1(4位) | A2(4位)
   • OP 的前 4 位必须是 1111。
   • 后 4 位使用 0000 ~ 1110 (15 种状态) 表示 15 条二地址指令。
   • 保留 1111 1111 作为扩展窗口。

3. 一地址指令：

   • 格式：OP(12位) | A1(4位)
   • OP 的前 8 位必须是 1111 1111。
   • 后 4 位使用 0000 ~ 1110 (15 种状态) 表示 15 条一地址指令。
   • 保留 1111 1111 1111 作为扩展窗口。

4. 零地址指令：

   • 格式：OP(16位)
   • OP 的前 12 位必须是 1111 1111 1111。
   • 后 4 位可以使用 0000 ~ 1111 (16 种状态) 表示 16 条零地址指令。

总指令条数：$15+15+15+16=61$ 条。 注：扩展窗口的数量和位置可以根据设计需求调整，不一定是 1 个。