本章的知识结构图如下：
- 指令（又称机器指令）是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。
- 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统/指令集。
- 指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。指令系统是计算机硬/软件的界面。
- 指令系统是计算机硬件的语言系统，和机器语言有关。
- 因为主存一般按字节编址，指令长度通常为字节的整数倍。为了便于取指，指令长度也可能是存储字长的整数倍。
一、指令格式
1.指令的基本格式
操作码指出指令中该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能。地址码给出被操作的信息（指令或数据）的地址。
指令长度与机器字长没有固定的关系。
在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，则称为定长指令字结构。定字长指令的执行速度快，控制简单。若各种指令的长度随指令功能而异，则称为变长指令字结构。然而，因为主存一般是按字节编址的，所以指令字长多为字节的整数倍。
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零地址指令
适用情况：
①不需要操作数的指令。
②操作数从栈顶和次栈顶弹出。
- 一地址指令
适用情况：
①单操作数指令，OP(A1)——>A1。
②有两个操作数，但另一个操作数由累加器ACC提供，结果也放在ACC中，(ACC)OP(A1)——>ACC。
- 二地址指令
A1是目的操作数，保存运算结果。
(A1)OP(A2)——>A1。
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三地址指令
(A1)OP(A2)——>A3。
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四地址指令
(A1)OP(A2)——>A3，A4是下一条指令的地址。
2.变长操作码指令格式
为了在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类，可采取可变长度操作码，即全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。显然，这将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。
在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点∶
①不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。
②各指令的操作码一定不能重复。
③指令的地址数和指令的长度是否固定没有一定的关系。
通常情况下，对使用频率较高的指令分配较短的操作码，对使用频率较低的指令分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。
二、指令的寻址方式
指令中的地址码字段并不代表操作数的真实地址，这种地址称为形式地址（A）。形式地址结合寻址方式，可以计算出操作数在存储器中的真实地址，这种地址称为有效地址（EA）。
1.指令寻址和数据寻址
寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类：寻找下一条将要执行的指令地址称为指令寻址。寻找操作数的地址称为数据寻址。
- 指令寻址(都是通过PC给出)：
顺序寻址：程序计数器PC+1自动形成下一条指令的地址。
跳跃寻址：通过转移类指令实现，由本条指令给出下一条指令的地址的计算方式，得到地址偏移量/相对地址或绝对地址。跳跃的结果是当前指令修改PC值。可以实现程序的无条件转移和条件转移。
- 数据寻址：
由寻址特征指出寻址方式，结合形式地址A，得出操作数地址。
2.常见的数据寻址方式
- 隐含寻址：
优点是有利于缩短指令字长；缺点是需增加存储操作数或隐含地址的硬件。
- 立即(数)寻址：
地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称立即数。
优点是指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短；缺点是A的位数限制了立即数的范围。
- 直接寻址：
指令字中的形式地址A是操作数的真实地址EA，即EA=A。
优点是简单，指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址；缺点是A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改。
- 间接寻址：
指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地址，即EA=（A）。
主存字第一位为1时，表示取出的仍不是操作数的地址，即多次间址;主存字第一位为0时，表示取得的是操作数的地址。
优点是可扩大寻址范围（有效地址 EA的位数大于形式地址A的位数），便于编制程序（用间接寻址可方便地完成子程序返回）
缺点是指令在执行阶段要多次访存（一次间接寻址需两次访存，多次间接寻址需根据存储字的最高位确定访存次数）。
由于访问速度过慢，这种寻址方式并不常用。一般问到扩大寻址范围时，通常指的是寄存器间接寻址。
- 寄存器寻址：
寄存器寻址是指在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即 EA=Ri，其操作数在由Ri所指的寄存器内。
优点是指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，因寄存器数量较少，对应地址码长度较小(可有效缩短指令中某个地址段的位数)，使得指令字短且因不用访存，所以执行速度快，支持向量/矩阵运算；
缺点是寄存器价格昂贵，计算机中的寄存器个数有限。
- 寄存器间接寻址：
寄存器间接寻址是指在寄存器 Ri中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即EA=(Ri)。
特点是，与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存（因为操作数在主存中）。
- 相对寻址：
相对寻址是把程序计数器（PC）的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，EA=（PC）+A，其中A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。
优点是操作数的地址不是固定的，它随PC值的变化而变化，且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动。相对寻址广泛应用于转移指令。对于多道程序设计来说最重要。
注意：对于转移指令JMP A，当CPU从存储器中取出一字节时，会自动执行（PC）+1→PC。若转移指令的地址为X，且占2B，在取出该指令后，PC的值会增2，即（PC）=X＋2，这样在执行完该指令后，会自动跳转到X+2＋A 的地址继续执行。
- 基址寻址：
基址寻址是指将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即EA=（BR）+A。其中基址寄存器既可采用专用寄存器，又可采用通用寄存器。
基址寻址面向系统。
优点是可扩大寻址范围（基址寄存器的位数大于形式地址A的位数）;用户不必考虑自己的程序存于主存的哪个空间区域，因此有利于多道程序设计，并可用于编制浮动程序，但偏移量（形式地址A）的位数较短。
- 变址寻址：
变址寻址是指有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容之和，即 EA=（IX）＋A，其中IX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。
变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变（作为偏移量），形式地址 A 不变（作为基地址）。
优点是可扩大寻址范围（变址寄存器的位数大于形式地址A 的位数）；在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序。偏移量（变址寄存器IX）的位数足以表示整个存储空间。
- 堆栈寻址：
寄存器堆栈又称硬堆栈。寄存器堆栈的成本较高，不适合做大容量的堆栈；而从主存中划出一段区域来做堆栈是最合算且最常用的方法，这种堆栈称为软堆栈。
在采用堆栈结构的计算机系统中，大部分指令表面上都表现为无操作数指令的形式，因为操作数地址都隐含使用了SP。通常情况下，在读/写堆栈中的一个单元的前后都伴有自动完成对SP内容的增量或减量操作。
三、CISC和RISC的概念
CISC复杂指令系统计算机，功能更强大，指令更复杂；RISC精简指令系统计算机，指令简单，执行速度快。
RISC精简指令系统计算机，要求指令系统简化，尽量使用寄存器-寄存器操作指令：
- 指令格式一致，指令长度固定、种类少，寻址方式种类少，指令功能没那么强。
- 选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。
- CPU中通用寄存器很多，只有Load/Store（取数/存数）指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
- RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。
附：王道选择题笔记
1.程序控制类的指令
功能是改变程序执行的顺序，包括：无条件转移、有条件转移、子程序调用、返回指令、循环指令的。
2.指令系统中采用不同的寻址方式的目的
缩短指令字长、扩大寻址空间、提高编程灵活性。不过指令译码难度择增加了。