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一.指令的基本格式1.结构2.长度3.根据操作数地址码数目分类（1）零地址指令（2）一地址指令（3）二地址指令（4）三地址指令（5）四地址指令 二.扩展操作码指令格式三.指令的操作类型1.数据传送2.算术逻辑单元3.移位操作4.转移操作5.输入输出操作一.指令的基本格式
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。
1.结构
一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分。
（1）操作码OP：指出指令中应该执行什么性质的操作和具有何种功能。即进行什么操作，如取数、乘法、加法、停机
（2）地址码Ai：给出被操作的信息（指令或者数据）的地址。即对谁进行操作
2.长度
（1）指令字长：一条指令的总长度（可能会变）
（2）机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）（固定不变）
（3）存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）（固定不变）
什么是指令字长、机器字长和存储字长？
指令字长是指一个指令字中包含二进制代码的位数。机器字长指计算机能直接处理的二进制数据的位数。存储字长指一个存储单元存储一串二进制代码（存储字）的位数。
指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令（32bit）需要两次访存
①按指令长度分类
单字长指令：长度等于机器字长双字长指令：长度等于两倍机器字长半字长指令：长度等于半个机器字长定长指令字结构：所有指令长度相同变长指令字结构：各种指令长度不同
②按操作码长度分类
定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同。n位的操作码可以支持2n条指令。控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变。控制器的译码电路设计复杂，但灵活性较高
3.根据操作数地址码数目分类
（1）零地址指令
只给出操作码，没有给出地址。
①不需要操作数的指令。如停机指令、空操作指令、关中断指令。
②零地址的运算类指令仅使用在堆栈计算机中
通常参与运算的两个操作数隐含的从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈。
类似于用栈实现中缀转后缀，详见3-2栈和队列-应用-2.表达式求值-（6）用栈实现中缀转后缀（运算符栈）
（2）一地址指令
给出操作码和一个地址码。若指令字长32位，操作码8位，地址码24位，则指令操作数直接寻址范围为224，其他同理
①只有目的操作数的单操作指令
按A1读取操作数，进行OP操作后，结果存回源地址。对地址码指定位置的操作数进行操作码操作，存回地址码指定位置OP(A1)→A1
如：加1、减1、取反
A1指某个主存地址，(A1)表示A1所指向的地址中的内容需要三次访存：取指令、取操作数、存放结果
②隐含约定目的地址的双操作数指令
按指令地址A1读取源操作数，指令可隐含约定。另一个操作数由ACC提供，运算结果也存入ACC中。对地址码指定位置的操作数与ACC存放的操作数进行操作码运算，结果存入ACC，即(ACC)OP(A1)→ACC
如：加法、减法、乘法、除法
需要两次访存：取指令、取操作数
（3）二地址指令
给出操作码和两个地址码。常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令。
对目的地址码A1指明的目的操作数和源地址码A2指明的源操作数进行操作码执行的运算，结果存回目的操作数的地址A1（目的地址码），即(A1)OP(A2)→A1
需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果
（4）三地址指令
(A1)OP(A2)→A3
需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果
（5）四地址指令
(A1)OP(A2)→A3，A4指明下一条要执行指令的地址
需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果正常情况下，取指令后(PC)+1→PC，PC自动指向下一条指令。但在四地址指令中，应该将PC的值修改为A4所指向的地址
二.扩展操作码指令格式
扩展操作码是定长指令字结构（所有指令长度相同）和可变长操作码（操作码的长度可变）的结合。操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。但增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。
1.三地址指令：OP4位，0000~1110，15条
对于三地址指令，前4位为基本操作码OP，后面三个地址字段A1、A2、A3分别占4位，指令字长共16位。4位基本操作码若全部用于三地址指令，即从0000到1111共16条。为保证零地址、一地址、二地址指令的使用，需留出1111开头的OP作为扩展操作码。因此三地址指令共15条。
2.二地址指令：OP8位，11110000~11111110，15条
对于二地址指令，前8位为基本操作码OP，后面两个地址字段A1、A2分别占4位，指令字长共16位（不变）。8位基本操作码若全部用于二地址指令，二地址指令的OP以111开头，范围1111 0000~1111 1111，共16条。同样二地址指令需要将1111 1111开头的OP留作扩展操作码，供一地址和零地址使用。因此二地址指令共15条。
3.一地址指令：OP12位，111111110000~111111111110，15条
对于一地址指令，前12位为基本操作码OP，后面一个地址字段A1占4位，指令字长共16位（不变）。12位基本操作码全部用于一地址指令，一地址指令以1111 1111开头，范围1111 1111 0000~1111 1111 1111，共16位。同样一地址指令需要将1111 1111 1111开头的OP留作扩展操作码，供零地址使用。因此一地址指令共15条。
4.零地址指令：OP16位，1111111111110000~1111111111111111，16条
对于零地址指令，16位全部为基本操作码OP，指令字长16位（不变）。16位基本操作码全部用于零地址指令，范围1111 1111 1111 0000~1111 1111 1111 1111，共16条。
可以看出，操作码的长度随地址码的减少而增加，使得所有指令长度相同。
以上设计满足：
①不允许短码是长码的前缀
②各指令的操作码一定不能重复
（类似于哈夫曼编码）
通常来说，对于使用频率较高的指令分配较短的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。
[例] 设指令字长固定为16位试设计一套指令系统满足：有15条三地址指令，12条二地址指令，62条一地址指令，32条零地址指令
解：
①三地址指令：0000~1110
②二地址指令：1111 0000~1111 1011
③一地址指令：
1111 1100 0000~1111 1100 1111
1111 1101 0000~1111 1101 1111
1111 1110 0000~1111 1110 1111
1111 1111 0000~1111 1111 1101（零地址32条，至少留2组，即10和11）
④零地址指令：
1111 1111 1110 0000~1111 1111 1110 1111
1111 1111 1111 0000~1111 1111 1111 1111
注：设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出m×2n种状态
在本例中地址长度为4，三地址指令留出一位给二地址，二地址可扩展出1×24=16种状态，而二地址只需要12条，给一地址留出4条。一地址可扩展出4×24=64种，而一地址只需要62种，留个零地址指令2种。零地址指令可扩展出2×24=32种
三.指令的操作类型
1.数据传送
传送指令通常有寄存器之间的传输（MOV）、从内存单元读取数据到CPU寄存器（LOAD）（如取a置ACC）、从CPU寄存器写数据到内存单元（STORE）（如将存放在ACC中的计算结果写回主存）
2.算术逻辑单元
加（ADD）、减（SUB）、比较（CMP）、乘（MUL）、除（DIV）、加1（INC）、减1（DEC）、与（AND）、或（OR）、取反（NOT）、异或（XOR）
3.移位操作
算法移位、逻辑移位、循环移位等
4.转移操作
无条件转移（JMP）、条件转移（BRANCH）、调用（CALL）、返回（RET）、陷阱（TRAP）等。无条件转移指令在任何情况下都执行转移操作，而条件转移指令仅在特定条件满足时才执行转移操作，转移条件一般是某个标志位的值，或几个标志位的组合。（转移主要依靠PC的指向）
调用指令和转移指令的区别
执行调用指令时必须保存下一条指令的地址(返回地址)，当子程序执行结束时，根据返回地址返回到主程序继续执行；而转移指令则不返回执行。
5.输入输出操作
这类指令用于完成CPU与外部设备交换数据或传送控制命令及状态信息。
按指令的操作类型分类：
（1）数据传送类：进行主存和CPU之间的数据传送（数据传送）
（2）运算类：算术逻辑操作、移位操作
（3）程序控制类：改变程序执行的的顺序（转移操作）
（4）输出/输出类：进行CPU和I/O设备之间的数据传送（输入输出操作）
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