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指令是计算机硬件能够识别并直接执行操作的命令,一台计算机中所有指令的集合构成了该机的指令系统。指令系统是表征计算机性能的重要因素,其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构,也直接影响到系统软件,影响到机器的适用范围。因此,设计一个合理有效、功能齐全、通用性强、丰富的指令系统是至关重要的。

从计算机组成的层次结构来说,计算机的指令分为微指令、机器指令和宏指令三类。微指令是微程序级的命令,属于硬件;宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令,属于软件;机器指令,也就是我们通常所说的指令,介于微指令与宏指令之间,每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。

回顾计算机的发展历史,指令系统的发展经历了从简单到复杂的演变过程。早在20世纪50至60年代,计算机大多采用分立元件的晶体管或电子管组成,体积庞大,价格昂贵,因此计算机的硬件结构比较简单,所支持的指令系统只有十几至几十条最基本的指令,而且寻址方式简单。到20世纪60年代中期,随着集成电路的出现,计算机的功耗、体积、价格等不断下降,硬件功能不断增强,其指令系统也越来越丰富。20世纪60年代后期,基本指令系统相同、基本体系结构相同的系列计算机开始出现,从而解决了各机种的软件兼容问题,其必要条件是同一系列的各机种具有共同的指令集,而且新推出的机种其指令系统一定包含旧机种的全部指令。

在20世纪70年代,高级语言已成为大、中、小型机的主要程序设计语言,计算机应用日益普及。计算机的设计者利用当时已经成熟的微程序技术和飞速发展的VLSI技术,增设了各种各样复杂的、面向高级语言的指令,使指令系统越来越庞大,按这种方法设计的计算机系统称为复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer),简称CISC。如此庞大的指令系统不仅使计算机的研制开发周期变长,正确性难以保证,调试维护困难,而且大量使用频率很低的复杂指令造成了硬件资源的浪费。为此,人们又提出了便于采用VLSI技术实现的精简指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer),简称RISC,这是一种新型的计算机体系结构设计思想,其主要特点是:选取使用频率最高的一些简单指令,指令条数少;指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少;只有取数/存数指令访问存储器,其余指令的操作都在寄存器之间进行。我们将在第5章中央处理器(CPU)中详细介绍RISC技术。