计算机组成原理第四章 指令系统

一次总线操作所需的时间（包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成、即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。

第四章 指令系统 计算机组成原理 王道考研系列

• 指令格式
  • 操作码、地址码的概念
    • 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
    • 指令集
      • 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
        • 注：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。
    • 一条指令就是机器语言的一个语句，它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部分
      • 操作码：用户要干什么？
      • 地址码：对谁进行操作？
      • 有的指令不需要地址码（停机）
  • 根据地址码数目不同分类
    • 零地址指令
      • 1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
      • 2. 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶
        • Eg：数据结构：“后缀表达式”
    • 一地址指令
      • 1. 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
          • 注：A1 指某个主存地址， (A1)表示 A1 所指向的地址中的内容
      • 2. 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）
        • 指令含义： (ACC)OP(A1)→ACC
          • 完成一条指令需要2次访存：取指 → 读A1
    • 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
    • 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
    • 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
      • 四地址指令：执行指令后，将PC的值修改为A4所在地址
  • 根据指令长度分类
    • 概念
      • 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（通常和ALU直接相关）
      • 存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和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
      • 指令字长会影响取指令所需时间。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
  • 根据操作码的长度不同分类
    • 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同
      • n位→2条指令
      • 控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
    • 可变长操作码：指令系统中各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
  • 根据操作类型分类
    • 1. 数据传送
      • LOAD 作用：把存储器中的数据放到寄存器中
      • STORE 作用：把寄存器中的数据放到存储器中
      • 数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送
      • 数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送
    • 2. 算术逻辑操作
      • 算术：加、减、乘、除、增 1、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
      • 算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)
    • 4. 转移操作
      • 无条件转移 JMP
      • 条件转移 JZ：结果为0； JO：结果溢出； JC：结果有进位
      • 调用和返回 CALL和RETURN
      • 陷阱(Trap)与陷阱指令
      • 程序控制类：改变程序执行的顺序
    • 5. 输入输出操作
      • CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)
        • 输入输出类（I/O）：进行CPU和I/O设备之间的数据传送
    • 运算类
• 扩展操作码
  • 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同
  • 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
  • 定长指令字结构+可变长操作码 →扩展操作码指令格式
    • 不同地址数的指令使用不同长度的操作码
  • 指令格式
    • 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。
      • 对比数据结构的“哈夫曼树”的“前缀编码”
    • 2.各指令的操作码一定不能重复。
    • 通常情况下，
  • 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种状态
  • 优：在指令长度有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类
  • 缺：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化
• 指令寻址
  • 什么是指令寻址
    • 确定下一条要执行的指令的存放地址
    • 始终由程序计数器PC指明
  • 顺序寻址
    • (PC)+ "1"——> PC
    • 此处的"1"要理解为1个指令字长
    • 每次取指令结束后，一定会PC+"1"
  • 跳跃寻址
    • 执行转移类指令导致的PC值改变
  • 每一条指令的执行都分为“取指令”、“执行指令”两个阶段
• 数据寻址
  • 什么是数据寻址
    • 确定本条指令的地址码指明的真实地址
  • 求出操作数的真实地址成为有效地址（EA）
  • 直接寻址
    • 指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA=A
    • 一条指令的执行：取指令，访存1次；执行指令，访存1次；
    • 优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存，不需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）。
    • 缺点：指令在执行阶段要多次访存（1次间址需2次访存，多次寻址需根据存储字的最高位确定几次访存）
  • 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R所指的寄存器内。
    • 一条指令的执行：取指令，访存1次；执行指令，访存0次；
    • 优点：指令字短且执行速度快，支持向量/矩阵运算。
    • 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R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=(R)
    • 一条指令的执行：取指令，访存1次；执行指令，访存1次；
    • 特点：与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存（因为操作数在主存中）。
  • 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
    • 一条指令的执行：取指令，访存1次；执行指令，访存0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，如A的位数为n，且立即数采用补码时，可表示的数据范围为-2~2-1
  • 偏移寻址
    • 什么是偏移寻址
      • 以某个地址作为起点，形式地址视为“偏移量”
    • 几种偏移寻址的区别在于偏移的起点不一样
    • 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
      • 以程序的起始存放地址作为起点
      • 优点1：便于程序“浮动”，方便实现多道程序并发运行
      • 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），形式地址可变（作为偏移量）
      • 当采用通用寄存器作为基址寄存器是时，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决定
      • 优点2：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于主存的哪一空间区域，故有利于多道程序设计，以及可用于编制浮动程序（整个程序在内存里边的浮动）
    • 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，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
      • 程序员自己决定从哪里作为起点
      • 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（IX作为偏移量），形式地址A不变（作为基地址）
      • 优点：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IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序
    • 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所指地址的位移量，可正可负，补码表示
        • 王道书的小错误：“A是相对于当前指令地址的位移量”
      • 以程序计数器PC所指地址作为起点
      • 优点：操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动（一段代码在程序内部的浮动）。
  • 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
• 机器级代码
  • 考试要求
    • 只需关注x86汇编语言
    • 能结合C语言看懂汇编语言的关键语句（看懂常见指令，选择结构，循环结构，函数调用）
    • 结合汇编语言分析机器指令的格式、寻址方式
  • x86汇编语言基础知识
    • mov 目的操作数d,源操作数s
      • #mov指令功能：将源操作数s复制到目的操作数d所指的位置
      • 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
        • 若未指明主存读写长度，默认32bit
      • 如何判断操作数类型
        • [地址]：地址所指的内容
        • 一个十进制/十六进制数：立即数
        • 寄存器
          • EAX,EBX,ECX,EDX 通用寄存器（X=未知）
            • AX,BX,CX,DX 使用通用寄存器的低16bit
            • AH,BH,CH,DH 低16bit的高八位 AL,BL,CL,DL 低16bit的低八位
          • ESD,EDI 变址寄存器，变址寄存器可用于线性表，字符串的处理
          • EBP,ESP 堆栈基指针，堆栈顶指针，堆栈寄存器用于实现函数调用
          • 每个寄存器都是32bit
  • 常用的x86汇编指令
    • 目的操作数d不可以是常量
    • 算术运算
      • add d,s 加 #计算d+s，结果存入d
      • sub d,s 减 #计算d-s，结果存入d
      • mul d,s 乘 #无符号数d*s，乘积存入d
      • div s 除 #无符号数除法 edx:eax/s，商存入eax，余数存入adx
      • neg d 取负数 #将d取负数，结果存入d
      • inc d 自增++ #将d++，结果存入d
      • dec d 自减-- #将d--，结果存入d
    • 逻辑运算
      • and d,s 与 #将d,s逐位相与，结果放入d
      • or d,s 或 #将d,s逐位相或，结果放入d
      • not d 非 #将d逐位取反，结果放入d
      • xor d,s 异或 #将d,s逐位异或，结果放入d
      • shl d,s 左移 #将d逻辑左移s位，结果放回d（通常s是常量）
      • shr d,s 右移 #将d逻辑右移s位，结果放回d（通常s是常量）
    • 其他指令
      • 用于实现分支结构、循环结构的指令：cmp，test，jmp，jxx
      • 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
  • AT&T格式和Intel格式
  • 选择语句的机器级表示
    • x86处理器中程序计数器PC通常被称为IP
• CISC和RISC
  • CISC： Complex Instruction Set Computer
    • 设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能。
    • 代表：x86架构，主要用于笔记本、台式机等
  • RISC： Reduced Instruction Set Computer
    • 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
    • 代表：ARM架构，主要用于手机、平板等