ALU指令有三种类型：

• 计算指令：对寄存器值进行数学或逻辑计算
• 加载和存储指令：在寄存器和主存之间移动数据
• 分支指令：改变PC值

Bata ISA的所有指令等长（32位，占用主存里的一个字，4字节），与可变长度指令相比

• 优点：简化控制逻辑单元的解码过程，易于计算下一个PC值
• 缺点：编码长度更长（固定长度编码）。

下面分别介绍三种类型的指令。

变量和变量的计算指令

其中：

• OPCOD是操作代码，6bits。这意味着最多有64（）种运算
• 是目的寄存器的代码，5bits。用于存储计算结果
• 、是源操作数所在寄存器的代码，各占5bits。用于指定参与运算的数值

有效代码一种是21位，却要占32位的1个字。所以说编码的长度更长。内存利用率不高。

以加法运算为例

其指令格式为

• OPCODE=10000代表的是加法，为了方便起见，编码为ADD
• =00011的含义是内部寄存器 ，编码为R3
• =00001的含义是内部寄存器 ，编码为R1
• =00010的含义是内部寄存器 ，编码为R2

最终该条指令的16进制表达为0x80611000。这样人理解起来非常困难。所以我们最好用功能表达，这样可读性强，如下：ADD(r1,r2,r3)

实际上在CPU内部就是：

实际电路上发生了：

• 操作数选择器的控制信号为、，
• 目的寄存器选择器的控制信号为；
• 程序计数器寄存器 PCPC+4。

如下图：

通过上图，我们可以看到，RISC指令集的优点之一就是：指令解码不需要太多的逻辑来控制数据路径。

满足该格式的指令

• 算术：ADD、SUB、DIV
• 比较：CMPEQ、CMPLT、CMPLE
• 逻辑：AND、OR、XOR、XNOR
• 移位：SHL、SHR、SAR

变量和常量的计算指令

很多程序会经常使用小常量(如1，-1，0 等)。这样就对ISA设计师提出了一个功能请求：允许小的常量作为ALU指令中的第二个操作数。

因此我们在指令中占用原先使用的5bits，与后面的11位构成了表示常量的16bits。

这样能够表达小常量的值的范围是。

其指令格式为:

其中：

• OPCOD是操作代码，6bits。这意味着最多有64（）种运算
• 是目的寄存器的代码，5bits。用于存储计算结果
• 是源操作数所在寄存器的代码，占5bits。用于指定参与运算的数值
• 后11位是小常量

以加法运算为例

其指令格式为：

• OPCODE=11000代表的是加法，为了方便起见，编码为ADDC
• =00011的含义是内部寄存器 ，编码为R3
• =00001的含义是内部寄存器 ，编码为R1
• 常量=11111111101的含义-3的补码。这里有一个技术细节，小常量-3是11bits。

最好用功能表达，这样可读性强，如下：ADDC(r1,-3,r3)

实际上在CPU内部就是：

这里有一个技术细节，小常量-3是16bits。数据路径的硬件如何从-3的16位表现形式转换到32位表现形式？

硬件需要执行的操作是“符号扩展”，将16位小常量的最高位复制16次形成32位的高半部分。这样与小常量就构成了32位小常量。硬件上可以做到无需额外的逻辑门就能实现符号扩展。

实际电路上发生了：

• 操作数选择器的控制信号为、，小常量控制信号bsel=1
• 目的寄存器选择器的控制信号为；
• 程序计数器寄存器 PCPC+4。

如下图：

需要注意的是，如果一个常量太大，无法用16位正确表达，那么我们需要以32位的形式将它存储在主存中，像使用变量一样，使用时将其加载到寄存器中。

满足该格式的指令

• 算术：ADDC、SUBC、DIVC
• 比较：CMPEQC、CMPLTC、CMPLEC
• 逻辑：ANDC、ORC、XORC、XNORC
• 移位：SHLC、SHRC、SARC

内存访问指令(Memory Access)

由于Beta ISA是加载-存储架构，所以加载和存储是访问内存值的唯一方法。

格式如下：

加载：从主内存读取数据到寄存器

存储：从寄存器写回主存

为了访问内存，CPU需要产生内存地址，式中：Mem[Reg[ra]+sext(const)] 是内存地址，计算可以用ADDC指令完成。

1. 如果使用常量地址，可以指定R31作为，这是因为R31寄存器恒为0，和一个16位的带符号的相加，可以将16位扩展位32位。
2. 如果就是寄存器的值作为内存地址，可以指定常量为0

使用LD和ST指令

上面是使用小常量的地址的用法，对于大常量可用LDR和STR指令。

分支指令（Branches）

可以用分支指令实现循环、条件、过程、调用等功能。格式如下：

offset 偏移量

这里的分支使用的是PC相对地址，也就是说分支目标的地址是相对于分支的下一个指令的地址而言的。offset=0表示分支的下一个指令，offset=-1表示分支本身。

• 向后分支（backward branch）：offset为负值，经常在循环结束的分支处使用，用于回到循环的开头
• 向前分支（forward branch）：offset为正值，在if条件判断中需要向前跳过一些步骤时使用

示例，实现阶乘

用C语言编程，代码如下：

int a= 1;
int b= N;
do {
     a = a*b;
     b = b-1;
} while (b != 0)

假定r1=N，则用指令实现如下：

  ADDC(r31,1,r0)  //r0=1
L:MUL(r0,r1,r0)   //r0=r0*r1
  SUBC(r1,1,r1)   //r1=r1-1
  BNE(r1,L,r31)   //if r1!=0 run MUL next,r31=0
                         //at this point,r0=N!

跳转指令（Jumps）

分支指令可以将控制传递给由常数计算得的目标位置，JMP指令则可以将控制传递给预先计算好的地址。格式如下：

所谓CPU设计，就是设计出硬件电路满足各项指令要求的运算和操作。而指令是跟ISA密切相关的。

所以在CPU的设计中，首先要搞清楚指令集架构ISA。这里所用的Beta ISA是32位的，以此为例介绍CPU的设计。但设计方法和逻辑是通用的。