【计算机组成原理】指令系统

一、指令系统

1.1 指令的基本格式

1.1.1 指令的定义

       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了该机的指令系统，也称为指令集。

注意：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。

1.1.2 指令的格式

       一条指令就是机器语言的一个语句，他是一组有意义的二进制代码，一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两个部分：

       一条指令可能包含0个，1个，2个地址码，根据地址码的不同，可以将指令分为零地址指令，一地址指令，二地址指令……

1.1.3 按地址个数分类

1.1.3.1 零地址指令

       不需要操作数，如：空操作、停机。关中断等操作

       堆栈计算，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果栈顶压回。

1.1.3.2 一地址指令

       只需要单操作数，如加1，减1，取反，求补等，指令含义：OP(A1) -> A1，完成一条指令需要3次访存：取指 -> 读A1 -> 写A1

       需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器中，指令含义：(ACC)OP(A1) -> ACC，完成条指令需要2次访存：取指 -> 读A1

1.1.3.3 二地址指令

       常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令，指令含义：(A1)OP(A2) -> A1，完成一条指令需要访存4次：取指 -> 读A1 -> 读A2 -> 写A1

1.1.3.4 三地址指令

       常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令，指令含义：(A1)OP(A2) -> A3，完成一条指令需要访存4次：取指 -> 读A1 -> 读A2 -> 写A3

1.1.3.5 四地址指令

       指令含义：(A1)OP(A2) ->A3，A4 = 下一条将要执行指令的地址，完成一条指令需要访存4次：取指 -> 读A1 -> 读A2 -> 写A3

        正常情况下：取指令之后，PC + 1，指向下一条指令，而四地址指令：执行指令后，将PC的值修改为A4所指的地址。

1.1.4 按指令长度分类

指令字长：一条指令的总长度（可能会变）

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（通常与ALU直接相关）

存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常与MDR位数相同）

半字长指令、单字长指令、双字长指令——指令长度是机器字长的多少倍

       指令字长会影响指令所需时间。如：机器字长 = 存储字长 = 16bit，则取一条双字长指令需要两次访存。

• 定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
• 变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等

1.1.5 按操作码的长度分类

• 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同，控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
• 变长操作码：指令系统中各个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

1.1.6 按操作类型分类

• 数据传送：
• 算术逻辑操作：
• 移位操作：
• 转移操作：
• 输入输出操作：

1.2 扩展操作码指令格式

扩展操作码指令格式 = 定长指令字结构 + 可变长操作码

在设计扩展操作码指令格式时，必须注意一下两点：

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

       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

2.1 指令寻址

• 顺序寻址：(PC) + "1" -> PC（一个指令字长）
• 跳跃寻址：由转移指令指出，每次转移指令，一定要先将PC自动加1，然后跳跃到地址。

2.2 数据寻址

在数据寻址中，我们都先以一地址指令为例来讨论一下10种方式：

2.2.1 基本寻址（7种）：

• 数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址。

• 直接寻址：指令字中的形式地址A就是操作数的知识地址EA，即EA = A，该指令访存两次
  • 优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存，不许专门计算操作数的地址。
  • 缺点：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)。
  • 优点：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），便于编值程序（用间接寻址可以方便地完成子程序返回）
  • 缺点：指令在执行阶段要多次访存

• 寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即EA = R，其操作数在由R1所指的寄存器内。该指令访存1次。
  • 优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且执行速度快
  • 缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限
• 寄存器间接寻址：寄存器R1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 = (R1)。
• 隐含寻址：不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址。
  • 优点：有利于缩短指令字长
  • 缺点：需要增加存储操作数或隐含地址的硬件

• 立即寻址：形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式。#表示立即寻址特征。该指令访存1次。
  • 优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短
  • 缺点：A的位数限制了立即数的范围

2.2.2 偏移寻址（3种）：

• 基址寻址：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。有专门的寄存器和通用寄存器（需要指明寄存器所在的位置）
  • 优点：便于程序“浮动”，方便实现多道程序并发运行，可扩大寻址范围

扩展：程序运行前，CPU将BR的值修改为该程序的起始地址（存在操作系统PCB中）

       注意：基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定。在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变（作为基地址），可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器，但其内容仍由操作系统确定。 

• 变址寻址：有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即EA = (IX) + A，其中IX可为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。
  • 注意：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，形式地址A不变（作为基地址），其适合编值循环程序。

1. 基址 && 变址复合寻址：先基址后变址寻址：EA = (IX) + ((BR) + A)

• 相对寻址：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，即EA = (PC) + A，其中A是相对于PC所指向的位移量，可正可负，补码表示。
  • 优点：这段代码在程序内浮动时不用更改跳转指令的地址码，因此便于程序的浮动。

硬件是如何实现数的“比较”

• 通过cmp指令比较a和b，实质上是用a - b
• 相减的结构信息会记录在程序状态字寄存器中（PSW）
• 根据PSW的某几个标志位进行条件判断，来决定时候转移

2.2.3 堆栈寻址： 

• 堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP）作为操作数地址。

       堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按“后进先出”原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针。

三、机器级代码

3.1 高级语言与机器级代码之间的对应

机器级代码：机器语言 + 汇编语言

3.1.1 x86汇编语言指令基础

指令的作用：改变程序的执行流；处理数据

指令的格式：操作码 + 地址码

• 操作码：怎么处理？
• 地址码：数据在哪里？在寄存器中（在指令中给出“寄存器名”），在主存中（在指令中给出“主存地址"），在指令中（直接在指令中给出要操作的数，也就是”立即寻址“）

       如何指明内存的读写长度：dword ptr ——双字，32bit、word ptr —— 单字，16bit、byte ptr ——字节，8bit。

3.1.2 X86架构的CPU，有哪些寄存器？？

3.2 x86常见的汇编指令

3.2.1 常见的算术运算指令

3.2.2 常见的逻辑运算指令

3.2.3 常见的其他指令

• 用于实现分支结构、循环结构的指令：cmp、test、jmp、jxxx
• 用于实现函数调用的指令：push、pop、call、ret
• 用于实现数据转移的指令：mov

3.3 AT&T格式和Intel格式

3.4 选择语句的机器级表示（分支结构）

       无条件转移指令——jmp<地址> 将PC无条件转移到<地址>，<地址> 可以用常数给出，可以来自于寄存器，可以来自于主存，可以用’标号‘锚定。

       条件转移指令——jxxx  通常先利用cmp指令进行比较

 扩展：cmp指令的底层原理

3.5 循环语句的机器级表示

用条件转移指令实现循环，需要4个部分组成：

1. 循环前的初始化
2. 是否直接跳过循环
3. 循环主体
4. 是否继续循环

用loop指令实现循环

        loop指令等价于：ecx--，cmp ecx，0，  jne looptop

3.6 函数调用——机器级表示

3.6.1 call，ret指令

• 函数调用指令：call <函数名>
• 函数返回指令：ret

call指令的作用：

• 将IP旧值圧栈保存（保存在函数的栈帧顶部）
• 设置IP新值，无条件转移至被调用函数的第一条指令

ret指令的作用：

• 从函数的栈帧顶部找到IP旧值，将其出栈并恢复IP寄存器

3.6.2 如何访问栈帧

• 标记栈帧范围：EBP、ESP寄存器
• 访问栈帧数据：push、pop指令

3.6.3 如何传递参数和返回值

每一个函数栈帧中包含哪些内容？

栈帧最底部一定是上一层栈帧基址（ebp旧值）

栈帧最顶部一定是返回地址（当前函数的栈帧除外）

局部变量：C语言中越靠前定义的局部变量越靠近栈顶

调用参数：参数列表中越靠前的参数越靠近栈顶

gcc编译器将每一个栈帧大小设置为16B的整数倍（当前函数的栈帧除外）

扩展：

 

3.6.4 总结：

       栈帧：在函数调用栈中，一个栈帧对应一层函数，用于存储每层函数相关的一些信息，栈底在高地址方向，栈顶在低地址方向，以4个字节为单位操作栈帧。

       ebp、esp寄存器：标记了当前正在执行的函数栈帧范围，ebp指向当前函数栈帧底部4字节，esp指向当前函数栈帧顶部4字节

       push、pop指令：push指令将数据压入栈顶，并将esp减4；pop指令将栈顶元素出栈，并将esp加4

       如何切换栈帧？在每个函数的开头，需要例行执行enter指令——等价于push ebp  mov ebp，esp；每个函数ret之前，需要例行执行leave指令——等价于mov esp，ebp   pop  ebp

call指令：1.将IP旧值压栈保存（保存在函数的栈帧顶部）；2.设置IP新值，无条件转移至被调用函数的第一条指令

        ret指令：从函数的栈帧顶部找到IP旧值，将其出栈并恢复IP寄存器

        访问当前函数的局部变量——[ebp - 4]   [ebp - 8]

        访问上一层函数传回来的参数——[ebp + 8]  [ebp + 12]

        一个栈帧包含：1.上一层栈帧的基址（ebp旧值）2.若干个局部变量  3.未使用区  4.部分寄存器值  5.若干个调用参数  6.返回地址（IP旧值）

四、CISC和RISC

CISC：设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能

RISC：设计思路：一条指令完成一个基本“动作”，多条指令组合完成一个复杂的基本功能