计算机考研第四章 指令系统

计算机考研计算机组成原理，指令格式、指令寻址和数据寻址、X86汇编指令、机器级表示等内容，知识点系统且全面，希望对大家有用。

第四章 指令系统

• 指令格式
  • 基本格式
    • 操作码 + 地址码（op + add）
    • 字长
      • 指令字长
        • 通常为字节的整数倍
        • 指令字长【可变】
        • 一条指令的总长度
        • 指令字长与机器字长无固定关系，可以使单字长、半字长、双字长（通常指令长度是机器字长的多少倍）
        • 指令字长会影响取指令所需时间
          • 单字长只需访存1次就能将指令完整取出
          • 双字长则需访存2次才能完整取出，耗费2个存取周期
      • 机器字长
        • CPU一次运算所能处理的位数（ALU直接相关）
      • 存储字长
        • 一个存储单元的位数（MDR位数相同）
      • 固定
  • 定义
    • 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。
  • 指令分类：
    • 地址码数目不同
      • 零地址指令
        • OP
        • 无操作数
          • 可用于不需要操作数的指令：空操作、停机、关中断
        • 有操作数
          • 用于堆栈计算机，把两个操作数隐含的存放在栈顶和次栈顶，运算后再压回去（后缀表达式）
            • 隐含寻址
      • 一地址指令
        • OP A1
        • 单操作数
          • 只有目的操作数的单操作数，OP(A1) -> A1 注：A1指主存地址，（A1)表示A1指向地址的内容
            • 三次访存：取指令，取A1，写回A1
            • 例如 ++, --, 取反，求补
        • 双操作数
          • (ACC)OP(A1) -> ACC 其中一个操作数隐含在某个寄存器中
            • 两次访存：取指令，取A1
        • 系统32位，若OP为8位，则A1可以寻址16M
      • 二地址指令
        • OP A1 A2
          • 操作码、目的、源
        • (A1)OP(A2) -> A1
          • 四次访存：取指令，取A1，取A2，写回A1
        • 系统32位，若OP为8位，则可以寻址4K
      • 三地址指令
        • OP A1 A2 A3
        • (A1)OP(A2) -> A3
          • 四次访存：取指令，取A1，取A2，写回A3
      • 四地址指令
        • OP A1 A2 A3 A4
        • (A1)OP(A2) -> A3，A4为下一条指令的地址
          • 四次访存：取指令，取A1，取A2，写回A3
        • 执行指令后，将PC的值修改为A4所指地址
    • 指令长度
      • 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
    • 操作码长度
      • 定长操作码
        • 指令系统中所有指令的操作码长度都相同
          • 操作码有n bit，则一共有2^n个指令
      • 可变长操作码
        • 指令系统中各指令的操作码长度可变
    • 操作类型
      • 数据传送类 进行CPU与主存之间的数据传送
        • LOAD
        • STORE
      • 运算类
        • 算数逻辑操作
        • 移位操作
      • 程序控制类 改变程序执行的顺序
        • 转移操作
      • 输入输出类（I/O) 进行CPU与I/O设备之间的数据传送
  • 扩展操作码： 定长指令字结构+ 可变长操作码
    • • 更灵活的：动态的扩展操作码 设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出m*2^n种状态
      • 目的：保持指令字长度不变而增加指令的数量
  • 指令系统是软硬件的界面
    • 软件依靠指令和硬件进行交互
  • 属于指令集体系结构（ISA）规定的有：
    • ①指令格式，指令寻址方式，操作类型，以及每种操作对应的操作数的相应规定。
    • ②操作数的类型，操作数寻址方式，以及是按大端方式还是按小端方式存放。
    • ③.程序可访问的寄存器编号、个数和位数，存储空间的大小和编址方式。
    • ④.指令执行过程的控制方式等，包括程序计数器、条件码定义等。
    • 注意：ISA规定了机器级程序的格式，机器语言或汇编语言程序员必须对机器的ISA非常熟悉。
  • 考频：低
    • 17、22*2
• 指令寻址和数据寻址
  • 考频：高
    • 11*2、13、14、16-20
  • 指令寻址
    • 寻找下条运行 的指令的地址
    • 顺序寻址
      • PC计数器++
        • 注意PC+1是加一个【指令字长】 取值令结束后就+1 值会因指令长度，编址方式而不同
        • PC给出下一条欲执行指令的内存地址
          • 位数取决于存储器的字数
    • 跳跃寻址
      • 下条指令的地址码由指令给出
        • 通过程序转移类指令实现
      • 跳动地址分为绝对地址和相对地址
      • 跳跃寻址的转移地址形成方式有3种：直接寻址、相对寻址以及间接寻址
  • 数据寻址
    • 确定本条地址的 地址码指明的真 实地址标注
    • 假设前提：指令字长=机器字长=存储字长
    • 指令格式：
      • <OP，寻址特征，ADD>
        • 每个形式地址前都有一个寻址特征
    • 隐含寻址
      • • 即两个操作数：一个直接寻址，一个在ACC
        • 给出一个操作数A的地址，与ACC进行运算
        • 优点：有利于缩短指令字长、简化地址结构 缺点：增加存储操作数或隐含地址的硬件
    • 普通寻址
      • 立即数寻址
        • 无EA，#A
        • • 直接给出操作的立即数的数字 形式地址就是操作数本身（补码表示）
          • 优缺点
            • 优点：指令执行时间最短，不需要访问内存
            • 缺点：立即数的大小受到指令长度的限制
      • 直接寻址 （绝对寻址）
        • EA = A
        • • 直接存有操作数的地址，EA = A
          • 优缺点
            • 优点：指令执行阶段只需要一次访存就可以找到数据
            • 缺点：A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数地址不易修改
      • 间接寻址
        • EA = (A)
        • • 可能存在多次间接寻址
            • 多次间接寻址需要设置一个bit位来指明是否是最后一次寻址
          • 优缺点
            • 可扩大寻址范围（理论可以访问到任何一个数据） 便于编址程序（可以方便地完成子程序返回）
            • 需要多次访存，访问速度过慢
              • 不常用，题中谈及”扩大寻址范围“通常都指寄存器间接寻址
          • 在【间址周期的末尾】需要把找到的真正地址覆盖到原本指令的形式地址中
    • 寄存器寻址
      • 寄存器寻址
        • EA = Ri
        • • 数据码部分的是寄存器编号，寄存器中存有操作数
          • 优缺点
            • 优点：不需要访存找到数据，可以缩短指令长度。提高指令的执行速度
            • 缺点：寄存器数目少，不能为操作数提供大量的存储空间
      • 寄存器间接寻址
        • EA = (Ri）
        • • 数据码部分是指明的寄存器编号，寄存器中存有操作数的地址
          • 优点：指令较短，并且在取指后只需一次访存便可以得到操作数，指令执行速度较间接寻址快。
            • 比较常用的寻址方式
    • 偏移寻址
      • 基址寻址
        • EA = (BR) + A
        • • EA = (BR) + A
            • 其中可以是BR，也可以是Ri
          • 优点
            • 有利于多道程序设计，可以【编制浮动程序】
              • 编制浮动程序：一个程序在内存中浮动
            • 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入主存的具体位置
          • 缺点
            • 偏移量（形式地址A）的位数较短
          • BR是面向操作系统的，其内容是操作系统或管理程序确定
          • 当采用通用寄存器作为基址寄存器时，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
        • EA = (IX) + A
        • • IX用户可以编程设置
          • 变址寄存器的内容可由用户决定（IX作为偏移量） 形式地址A不变（作为基地址）
          • 优点
            • 优点: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!X的内容，便可很容易形成数组中任意.个数据的地址，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。
          • 面向用户的，可以方便的设置A为某个数组的首部地址，然后执行EA = A + (IX)， 适合循环程序，数组
      • 相对寻址
        • EA = (PC) + A
        • • A是相对于PC所指地址的位移量，可正可负，补码表示
          • EA = (PC) + A
            • 注意此时的PC已经移动到了下一条指令处，因为是【取指完成后立马PC++】
            • 以下条指令在内存中首地址为基准位置的偏移量
          • 数据码部分是PC偏移量
          • 便于【程序浮动】，所以相对寻址广泛用于转移指令
            • for、while、goto
            • 程序浮动：一段代码在程序内部跳转 （多个程序之间）
    • 扩展寻址
      • 先变址后间址
        • EA=((IX)+A)
        • • 先进行变址运算，其运算结果作为间接地址，间接地址指出的单元的内容才是有效地址，即EA=((IX)+A)。
      • 先间址后变址
        • EA=(IX)+(A)
        • • 将指令中的地址码先进行一次间接寻址，然后再与变址值进行运算，从而得到一个有效地址，即EA=(IX)十(A)。
      • 基址变址寻址
        • EA=（BR)+(IX)+A
    • 堆栈寻址
      • 定义：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
      • 模拟堆栈来存储地址，寄存器堆栈分为硬堆栈和软堆栈
        • 硬：
          • 使用寄存器实现的
            • 注意：由于栈顶位置固定，故不必设置堆栈的栈顶指针
        • 软：
          • 在一个主存区域中实现的 （函数调用，局部变量）
  • 访存次数总结：
    • 不含取本条指令的访存
• X86汇编指令、 机器级表示
  • X86默认字长 32bit、Intel格式,一般小端方式存储
  • 寄存器只有Ri、PC、PSW是程序员可见的
  • 有关寄存器
    • A
      • 累加器EAX
        • 通常用于存储操作结果
    • B
      • 基地址EBX
        • 在内存寻址时存放基地址 （基址寄存器）
    • C
      • 计数ECX
        • 某些指令的计数器
    • D
      • 数据EDX
        • 与EAX经常配合使用
    • 32位：E__X 低16位：__X __X的高8位：__H __X的低8位：__L 通用寄存器
    • 变址ESI、EDI
      • ESI通常用于存储当前正在处理的源数据的索引或地址（变址寄存器）
    • 堆栈基EBP
    • 堆栈顶ESP
    • 这两个寄存器不能乱用；实现函数调用
    • 指令指针EIP
      • PC
    • 标志EFLAGS
      • PSW
  • 寻址模式
    • 数据类型大小：
      • DB、DW、DD
        • DB：字节
        • DW：字
        • DD：双字
  • 常用指令
    • 数据传送指令
      • mov + 目的操作数 + 源操作数
        • 操作数：指令的操作对象或者操作对象存放的地址(直接间接地址)
        • 操作数类型
        • 例如
        • 注意：mov指令的两个操作数不能同时是内存
      • push+操作数
        • push指令将操作数压入堆栈
        • 操作数可以是寄存器、内存、立即数
        • 注意：默认x86的堆栈是向低地址生长的满栈。这里的满栈是指堆栈指针指向最后一个已入栈的元素的栈，空栈是指堆栈指针指向下一个将要入栈元素的空位的栈
        • 例如
      • pop+操作数
        • pop指令把栈顶元素弹出至操作数
        • 操作数只能是内存或寄存器，不能是立即数
        • 例如
    • 算数运算指令
      • add/sub dst src
        • 结果存放在dst中
      • imul dst src
        • 相乘 i表示Integer
        • imul reg src1 src2
      • idiv + 除数
        • 包含隐含寻址
        • 商存入eax，余数存入edx
        • 被除数在edx:eax中
      • neg
        • 取负
      • inc/dec
        • ++ / --
    • 逻辑运算指令
      • and/or/xor+dst+src
      • shl/shr
        • shift + left/right
      • not
        • 位翻转
    • 分支，循环结构
      • cmp、test
        • 只影响状态标志
        • jmp/jcondtion
          • 实现程序控制
          • jcondition： 结合cmp
            • jle
              • jl
                • jge
                  • jg
                    • je
                      • jne
                        • jz
    • 函数调用
      • push pop
        • ESP
      • call ret
  • jcondition的FLAG
    • PSW中的几个标志位
    • CF
      • 借位/错位标志
      • 最高位出现了进位/借位的时候就是CF = 1
    • ZF
      • 零标志位
      • 结果为0的时候，ZF = 1
    • OF
      • 溢出标志位
      • 结果溢出了，OF = 1
    • SF
      • 符号标志位
      • 如果运算结果为负，则SF = 1
  • AT&T和Intel的汇编格式
    • 22
    • 汇编语法格式区分
  • 机器级表示
    • 选择语句
      • 无条件转移指令--jmp
        • 写汇编语言代码时，一般会以函数名作为“标号”，标注该函数指令的起始地址
      • 条件转移指令--jconditon (一般配合cmp指令使用）
        • 举例
    • 循环语句
      • 使用条件转移指令实现
        • • 四个部分
            • 循环前的初始化
            • 是否直接跳出循环
            • 循环主体
            • 是否继续循环
      • loop指令实现
        • loop指令不会影响标志位，只查
    • 函数调用 过程调用
      • 重要概念
        • 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 （保存函数大括号内定义的局部变量，保存函数调用相关的信息）
          • 栈底在高地址方向，栈顶在低地址方向。以4字节为单位操作栈帧
          • 当前正在执行的函数栈帧，位于栈顶
        • 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 （存放的是内存地址）
        • push,pop，mov指令
          • 先将esp-4，push指令将数据压入栈顶 （数据来自立即数、寄存器的值，主存地址的值）
          • pop指令将栈顶元素出栈，并将esp+4 （出栈的数据放在寄存器、主存地址）
          • 只能对栈顶进行操作
          • mov指令
            • • 结合esp、ebp指针访问栈帧数据 可以使用add/sub指令修改栈顶指针esp的值
        • 如何切换栈帧
          • 在每个函数开头，需例行执行enter指令----等价于push ebp mov ebp,esp 保存上一层函数栈帧，设置当前函数栈帧
          • 每个函数ret之前，需例行执行leave指令----等价于mov esp,ebp pop ebp 恢复上一层函数的栈帧
          • 流程
      • 一个栈帧包含哪些内容（自底向上）
        • ①上一层栈帧的基地址（ebp旧值）
          • 一定存在。用于恢复上一层函数的栈帧
        • ②若干个局部变量
          • • • 不一定存在
        • ③未使用区
          • gcc编译器将每个栈帧大小设置为16B的整数倍，追求数据对齐设置的（当前函数的栈帧除外）
        • ④部分寄存器值
          • 调用函数前，如果有必要，可将某些寄存器的值入栈保存，防止中间结果被破坏
            • 不一定存在
        • ⑤若干个调用参数
        • ⑥返回地址（IP旧值）
          • 一定存在（发生调用时）
      • 如何访问栈帧内数据
        • 访问当前函数的局部变量
          • [ebp-4]、[ebp-8]...
        • 访问上一层函数传过来的参数
          • [ebp+8]、[ebp+12].....
      • 发起调用，返回
        • 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
          • 保存断点，设置新值
        • 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
        • 如何传递参数，返回值
          • 在call指令前，将调用参数写入栈帧顶部区域
          • 在ret指令前，将函数返回值写入eax寄存器
          • 函数调用栈在内存中的位置
      • 流程
  • 例题举例：
    • • • 考题：
        • 1. 考C语言：递归次数
        • 2. 指令概念：条件转移指令、（无条件跳转指令、函数调用、函数返回）→ 一定出现程序跳转
        • 3. 虚地址计算：17条指令的地址；相对寻址：PC的偏移量；大端小端
        • 4. 数据溢出：long和int
        • 5. 带标记的乘法器OF判断；异常处理：溢出陷入指令。
          • 并且告诉了R[eax] = R[eax] * R[ecx]
  • 考频：低
    • 17大、19大*2
• CISC、RISC
  • 考频：低
    • 09、11
  • CISC
    • Complex 复杂指令集 x86
  • RISC
    • Reduced 精简指令集 ARM
  • 对比：
• END