指令系统

字、字长

字：计算机中的基本访问单位

MIPS体系结构中，字长与寄存器大小相同，为32bit

字长：决定虚拟地址空间的最大大小，比如32位机器支持最大虚拟地址空间为2³²

Intel X86体系中，字表示16bit数据类型，32位称为双字，64位称为四字

指令的基本概念

​ 一条指令的构成：操作码+地址码

• 操作码负责解释“做什么”
• 地址码负责解释“对谁动手”

​ 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集(x86、arm)

根据地址码数目的不同，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令等

零地址指令

1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等
2. 堆栈计算机(基于后缀表达式运算)，两个操作时隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

一地址指令

1. 只需要单操作数：加1，减1，取反，求补等
   • 指令 OP(A₁)→A₁，完成一条指令需要三次访存：取指令→读A₁→写A₁
2. 需要两个操作数，单其中一个操作数隐含在某个寄存器(如隐含在累加寄存器(ACC))中
   • 指令(ACC)OP(ACC)→ACC

二、三…地址指令

指令字长

指令字长：一条指令的长度(可变)，将直接影响取指令所需时间

半字长指令、单字长指令、双字长指令表示指令是机器字长的多少倍

操作类型

1. 数据传送

   • LOAD，将数据从存储器放入寄存器中
   • STORE，将寄存器中的数据放入存储器中

2. 算数逻辑操作

   • 算数：加减乘除、增减1、求补、浮点运算、十进制运算

   • 逻辑:与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

3. 移位操作

   • 算数移位、逻辑移位、循环移位

4. 转移操作(将导致PC(指令计数器)改变)

   • 无条件转移 JMP
   • 条件转移 JZ：结果为0；JO：结果已出；JC：结果有进位
   • 调用和返回 CALL和RET
   • 陷阱和陷阱指令
   • 循环指令

5. 输入输出操作

扩展操作码

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长度不等

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度相同

• 优点：可以简化硬件设计，提高指令译码和识别速度
• 缺点指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限

可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变

• 优点：指令字长有限的前提下仍能保持比较丰富的指令种类
• 缺点：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化

扩展操作码指令格式：定长指令字结构+可变长操作码

注意：

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. 对于使用频率高的指令，分配较短的操作码(减少译码时间)

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

指令寻址

​ 下一条欲执行的指令的地址，将始终由程序计数器PC给出，并且每次取完指令后，PC一定会自动+“1”，再执行指令

顺序寻址

例如：对于一个变长指令字结构，主存按字节编址，指令字长=存储字长

• 读入一个字，根据操作码判断这条指令的总字节数n，来修改PC的值(每次+n)

• 根据指令的类型，CPU可能还要进行多次访存，每次读入一个字

这个“1”应该理解为一个指令字长，需要根据指令长度、编址方式来判断

跳跃寻址

由转移指令指出跳转至的指令地址，类似于C语言的GOTO语句

数据寻址

确定本条指令的地址码指明的真实地址

在一条指令中，再包含寻址方式位(4位二进制)，一般加在地址位前。

寻址方式

1. 直接寻址：指令字的形式地址A就是操作数的真实地址EA
   • 一条指令执行取指令访存1次，执行指令访存1次
   • 执行阶段仅访问一次主存，不需专门计算操作数的地址
   • 操作数的地址不易修改
2. 间接寻址：指令的形式地址装入的是主存中装有真实地址单元的地址，即EA=(A).
   • 一次间址需要3次访存
   • 过程可以套娃n次，称为n次间址，那么访存次数就是n+2次，将导致指令执行效率变低
   • 可以扩大寻址范围(EA位数大于A的位数)，便于编程(方便子程序通过间址返回)

3. 寄存器寻址：指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即EA=R₁。

   • 访存1次,只有取指令访存
   • 执行阶段不访存，访寄存器
   • 指令字短(寄存器数目少)且执行速度快，支持向量/矩阵运算

4. 寄存器间接寻址：类似于间接寻址，只是寄存器中存放的是操作数所在主存单元的地址，即EA=（R_i）

5. 隐含寻址：在指令中隐含着操作数的地址(例如隐含在ACC中)。

   • 有利于缩短指令字长
   • 需要增加存储操作数，或隐含地址的硬件

6. 立即寻址：形式地址A就是操作数本身，又称为立即数(在前用#标识)，一般采用补码形式

   • 访存一次，来源于取指，指令执行时间最短
   • A的位数限制了立即数的范围

偏移寻址

1. 基址寻址：以程序的起始存放地址作为“起点” EA=(BR)+A
   • BR:基址寄存器，在有的计算机内部使用通用寄存器实现，在指令中声明使用哪个寄存器作为BR，位数根据寄存器数量n判断(log₂(n))
   • 便于程序“浮动”，方便实现多道程序并发运行
   • 面向操作系统，由操作系统或管理程序确定
   • 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)

2. 变址寻址：程序员自己决定从哪里作为“起点” EA=(IX)+A
   • 变址寄存器IX(Index Register)
   • 与基址类似，区别在于IX的内容面向用户，可由用户改变
   • 在处理数组时，可以将A设定为首地址，通过并不断改变IX的内容（偏移量）来得到任意数组元素的地址，适合编制循环程序
3. 基址与变址复合寻址：
   • 先基址后变址：EA = (IX)+((BR)+A)
4. 相对寻址：以程序计数器PC所指地址作为“起点” EA=(PC)+A
   • A是相对于PC所指地址(下一条指令地址)的偏移量，可正可负，补码表示
   • 操作码地址不固定，随PC值变化
   • 便于程序浮动(代码块在程序内部的浮动)，广泛应用于转移指令

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)按LIFO原则管理的存储区，堆栈指针就是一个存储该存储区被读/写单元的地址的寄存器

• 执行指令期间：硬堆栈不访存(专用寄存器实现)，软堆栈(主存实现)访存一次

CISC与RISC

指令系统的两种设计方向

CISC: Complex Instruction Set Computer

• 一条指令完成一个复杂的基本功能
• 代表：x86架构，使用
• 典型程序的80%的语句仅使用处理机中20%的指令
• 采用“存储程序”的设计思想，由一个比较通用的电路配合存储部件完成一条指令
• 32个通用寄存器

RISC: Reduced Instruction Set Computer

• 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

• 普遍采用微程序控制器

• 代表：ARM架构

• 一条指令一个电路，大部分指令一个时钟周期内完成，电路设计相对简单，功耗低

• 16个通用寄存器

条件码/标志寄存器

ALU进行计算后，得到结果并根据结果向标志寄存器写入信息

• CF—进位/借位标志
• ZF—零标志
• SD—符号标志
• OF—溢出标志

CF

针对无符号数

1. 加法，若产生进位时CF置为1，否则为0
2. 减法，按被减数进行取反+1当作加法处理，但是不产生进位时CF置1，否则为0
3. 比较大小：若a<b，则CF置为1，否则为0

ZF/SF/OF

ZF：最近操作得出结果为0，则ZF置为1，否则置0

SF：最近操作的得到的结果为负数，则SF置为1，否则SF置为0

OF：最近的操作导致补码溢出，有正溢出和负溢出两种情况，溢出为1，否则为0

程序员可见状态

这里的“程序员”，既可以是实际写汇编人，也可以是产生机器级代码的编译器

可见状态

1. 通用寄存器：写汇编会用
2. 条件码/标志寄存器
3. PC程序计数器：用于相对寻址

不可见状态

1. MAR
2. MDR
3. 指令寄存器IR