计算机组成原理指令系统#520
字长与扩展操作码
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5.2 字长与扩展操作码
三种字长
| 名称 | 含义 | 主要影响 |
|---|---|---|
| 指令字长 | 一条机器指令占多少位 | 操作码、地址码能分到多少位；取指时能否一次取完整条指令 |
| 机器字长 | CPU 一次能直接处理的数据位数 | ALU 位数、通用寄存器宽度、数据通路宽度、直接处理的数据范围 |
| 存储字长 | 一个存储单元能存放多少位 | 一个地址对应的数据位数；按字节编址时通常为 8 bit |
易错点
“字长”不是一个统一数值。现代机器可能是 64 位机器字长、变长指令、内存按字节编址；题目中必须先判断问的是指令字长、机器字长还是存储字长。
定长操作码
定长操作码：所有指令的操作码字段长度相同。若操作码占 位，最多表示 种操作。
特点：
- 译码简单：CPU 固定读取同一段操作码即可。
- 指令格式整齐，硬件实现容易。
- 编码利用率可能低：零地址、一地址、二地址、三地址指令对地址字段需求不同，统一格式会让部分位被闲置。
扩展操作码
扩展操作码：不同地址数的指令使用不同长度的操作码。核心是：地址字段少的指令，把省下的地址位转给操作码。
本质是在固定指令字长内分层使用编码空间：
- 三地址指令：地址字段多，操作码短。
- 二地址、一地址、零地址指令：地址字段逐渐减少，操作码逐渐变长。
- 某些短操作码不直接表示指令，而是作为扩展前缀，引出下一层更长操作码。
计算抓手
题目给定指令字长和每个地址字段长度时，不先背结论，先数“入口”。
以 16 位指令、每个地址字段 4 位为例：
- 三地址：
OP + A1 + A2 + A3，地址共 12 位，OP只有 4 位，最多 个三地址入口。 - 若三地址用 15 个，剩 1 个作为二地址扩展前缀，则二地址层多出 4 位扩展操作码，最多 16 个入口。
- 若二地址再用 15 个、留 1 个继续扩展，则一地址层最多 16 个入口。
- 若一地址再留 1 个扩展到零地址，则零地址层最多 16 条。
速记：每进入下一层，少一个地址字段，就多出该字段位数的操作码空间；但要继续向下扩展，必须消耗至少一个入口作为前缀。
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