计算机组成 第四章-指令系统

计算机组成 第四章-指令系统学习笔记，包括指令格式、指令的寻址方式、CISC和RISC的基本概念、程序的机器级代码表示等等。

指令系统

• 指令格式
  • 指令
    • 指令（机器指令）是指示计算机执行某种操作的命令。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上
  • 指令的基本格式
    • • 操作码：指出该指令应该执行什么性质的操作以及具有何种功能，是识别指令、了解指令功能及区分操作数地址内容的组成和使用方法的关键信息
      • 地址码：给出被操作信息（指令或数据）的地址，包括参加运算的若干个操作数所在的地址、运算结果的保存地址、程序的转移地址、被调用的子程序的入口地址等
    • 分类
      • 零地址指令
        • • 1)不需要操作数的地址，如空操作指令、停机指令、关中断指令等
          • 2)零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中。通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈。
      • 一地址指令
        • • 1)只有目的操作数的单操作数指令，按A1地址读取操作数，进行OP操作后，结果存回原地址。 指令含义:OP(A1)→A1 如操作码含义是加1、减1、求反、求补等。
          • 2〉隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址A可读取源操作数，指令可隐含约定另一个操作数由ACC（累加器）提供，运算结果也将存放在ACC中。 指令含义: (ACC)OP(A1))-ACC 若指令字长为32位，操作码占8位，1个地址码字段占24位，则指令操作数的直接寻址范围为2^24= 16M。
      • 二地址指令
        • • 指令含义: (A1)OP(A2)→A1 对于常用的算术和逻辑运算指令，往往要求使用两个操作数，需分别给出目的操作数和源操作数的地址，其中目的操作数地址还用于保存本次的运算结果。
          • 若指令字长为32位，操作码占8位，两个地址码字段各占12位，则指令操作数的直接寻址范围为2^12=4K。
      • 三地址指令
        • • 指令含义: (A1)OP(A2)→A3
          • 若指令字长为32位，操作码占8位，3个地址码字段各占8位，则指令操作数的直接寻址范围为= 256。若地址字段均为主存地址，则完成一条三地址需要4次访问存储器（取指令1次，取两个操作数2次，存放结果1次)。
      • 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。
          • 若指令字长为32位，操作码占8位，4个地址码字段各占6位，则指令操作数的 直接寻址范围为2^6=64。
  • 定长操作码指令格式
    • 在指令字的最高位部分分配n位（定长）表示操作码，可最多表示2^n条指令
  • 扩展操作码指令格式（可变长度操作码）
    • 定义：操作码字段的位数不固定，且随着地址码的减少而增加
    • • 短码不能是长码的前缀，故4位操作码最多表示15条指令
  • 指令的操作类型
    • 数据传送
      • 传送指令通常有寄存器之间的传送（MOV)、从内存单元读取数据到CPU寄存器(LOAD)、从CPU寄存器写数据到内存单元(STORE)等。
    • 算术和逻辑运算
      • 这类指令主要有加（ADD)、减(SUB)、比较（CMP)、乘(MUL)、除(DIV)、加1(INC)、减1(DEC)、与(AND)、或(OR)、取反（NOT)、异或(XOR）等。
    • 移位操作
      • 算术移位、逻辑移位、循环移位
    • 转移操作
      • 转移指令主要有无条件转移(JMP)、条件转移（BRANCH)、调用（CALL)、返回(RET)、陷阱（TRAP）等。
        • 调用指令和转移指令的区别: 执行调用指令时必须保存下一条指令的地址（返回地址)，当子程序执行结束时，根据返回地址返回到主程序继续执行；而转移指令则不返回执行
      • 无条件转移指令在任何情况下都执行转移操作，而条件转移指令仅在特定条件满足时才执行转移操作，转移条件一般是某个标志位的值，或几个标志位的组合。
    • 输入输出操作
      • 完成CPU与外部设备交换数据或传送控制命令及状态信息
• 指令的寻址方式
  • 定义：寻址方式是指寻找指令或操作数有效地址的方式，即确定本条指令的数据地址及下一条待执行指令的地址的方法，分别指令寻址和数据寻址
  • 指令寻址（寻找一下条将要执行的指令地址）
    • 顺序寻址
      • 通过程序计数器PC加1（1个指令字长），自动形成下一条指令的地址
    • 跳跃寻址
      • 通过跳跃类指令实现；由本条指令计算下条指令地址，跳跃地址分为绝对地址（由标记符直接得到）和相对地址（相对于当前指令地址的偏移量），跳跃结果是修改PC值，因此下条指令仍然通过PC给出
  • 数据寻址（寻找本条指令的数据地址）
    • 
    • 隐含寻址
      • 定义
        • 不明显给出操作数地址，而在指令中隐含操作数地址
        • 例如单地址的指令格式，规定累加器（ACC）作为第二操作数地址，指令格式仅显式给出第一操作数的地址
      • 优点
        • 有利于缩短指令字长，可简化地址结构
      • 缺点
        • 需增加存储操作数或隐含地址的硬件
    • 立即数寻址
      • 定义
        • 指令的地址字段直接给出操作数本身（补码表示）
        • #表示立即寻址特征
      • 优点
        • 不访问主存，执行时间最短
      • 缺点
        • A的位数限制了立即数范围
    • 直接寻址
      • 定义
        • 指令字中的形式地址A是操作数的真实地址EA，即EA=A
      • 优点
        • 实现简单，只需一次访存，不需要专门计算操作数地址
      • 缺点
        • A的位数决定了寻址范围，且操作数地址不易修改
    • 间接寻址
      • 定义
        • 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（即操作数地址的地址），即EA=(A)
        • 可以是一次间接寻址或多次间接寻址
      • 优点
        • 可扩大寻址范围（有效地址EA的位数>形式地址A的位数），便于编制程序（用间接寻址可方便地完成子程序返回）
      • 缺点
        • 指令在执行阶段要多次访存（因此不常用，使用寄存器间接寻址扩大寻址范围）
    • 寄存器寻址
      •  
      • 定义
        • 在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即EA=R
      • 优点
        • 指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，因寄存器数量较少，对应地址码长度较小，使得指令字短
        • 不用访存，所以执行速度快，支持向量/矩阵运算
      • 缺点
        • 寄存器数量较少且价格昂贵
    • 寄存器间接寻址
      • 定义
        • 在寄存器Ri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=(Ri)
      • 特点
        • 比一般间接寻址速度更快，但指令的执行阶段需访问主存（因为操作数在主存中）
    • 相对寻址
      • 定义
        • 把PC的内容加上指令格式的形式地址A而形成操作数的有效地址，即EA=(PC)+A
        • A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示
      • 优点
        • 操作数的地址不是固定的，随PC指变化，便于程序浮动，适用于转移指令（但寻址范围仍是由A的位数决定的）
    • 基址寻址
      •  答：首先对形式地址进行符号扩展，以便于基址相加，补码表示的FFI2H为负数，故扩展时前面添1，变为FFFF FF12H，转为原码，变成-0000 00EEH，与基址寄存器内容相加后，变为EFFF FF12H，由大端存储可知，最低有效字节在机器数的末尾地址。而1234 FF00H按字节编址，需4个存储单位，故答案为EFFF FF12 + 3 =EFFF FF15H。 选D
      • 定义
        • 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
        • 基址寄存器既可采用专用寄存器，又可采用通用寄存器
      • 特点
        • 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，主要用于解决程序逻辑空间与存储器物理空间的无关性。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)。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。
      • 优点
        • 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个空间区域，因此有利于多道程序设计，并可用于编制浮动程序，但偏移量（形式地址A)的位数较短。
    • 变址寻址
      •  
      • 定义
        • 指有效地址EA等于指令字中的形式地址与变址寄存器IX的内容之和，即EA=(IX)+A
        • IX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器
      • 特点
        • 
        • 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（作为偏移量)，形式地址A不变(作为基地址)。
      • 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。偏移量（变址寄存器IX）的位数足以表示整个存储空间。
    • 堆栈寻址
      • 定义
        • 堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的、按后进先出(LIFO)原则管理的存储区，该存储区中读/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(SP)。
          • 硬堆栈
            • 寄存器堆栈，成本较高，不适合做大容量的堆栈
          • 软堆栈
            • 从主存中划出一段区域来做堆栈
      • 特点
        • 在采用堆栈结构的计算机系统中，大部分指令表面上都表现为无操作数指令的形式，因为操作数地址都隐含使用了SP。通常情况下，在读/写堆栈中一个单元的前后都伴有自动完成对SP内容的增量或减量操作
• CISC和RISC的基本概念
  • 复杂指令系统计算机（CISC）
    • 特点
      • 1）指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上。
      • 2）指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多。
      • 3）可以访存的指令不受限制。
      • 4）各种指令使用频度相差很大。
      • 5）各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成。
      • 6）控制器大多数采用微程序控制。有些指令非常复杂，以至于无法采用硬连线控制。
      • 7）难以用优化编译生成高效的目标代码程序。
  • 精简指令系统计算机（RISC）
    • 特点
      • 1）选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。
      • 2）指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。
      • 3）只有Load/Store（取数/存数）指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
      • 使取指取数的操作简化且时长固定，简化流水线设计
      • 4）CPU中通用寄存器的数量相当多。
      • 5）RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。
      • 6）以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制。
      • 7）特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。
  • CISC和RICS的比较
• 程序的机器级代码表示
  • 常用汇编指令介绍
    • 相关寄存器
      • • • x86处理器中有8个32位的通用寄存器。为了向后兼容EAX、EBX、ECX和EDX的高两位和低两位字节都可独立使用；E为Extended，表示32位的寄存器
    • 汇编指令格式
      • 分类
        • AT&T格式
        • Intel格式
      • 区别
        • ①AT&T格式的指令只能用小写字母，而Intel格式的指令对大小写不敏感。
        • ②在AT&T格式中，第一个为源操作数，第二个为目的操作数，方向从左到右；在Intel格式中，第一个为目的操作数，第二个为源操作数，方向从右向左。
        • ③在AT&T格式中，寄存器需要加前缀“%”，立即数需要加前缀“$“；在Intel格式中，寄存器和立即数都不需要加前缀。
        • ④在内存寻址方面，AT&T格式使用“(”和“)”，而Intel格式使用“[”和“]”。
        • ⑤在处理复杂寻址方式时，例如 AT&T格式的内存操作数“disp(base，index，scale)”分别表示偏移量、基址寄存器、变址寄存器和比例因子，如“8(%edx，%eax，2)”表示操作数为M[R[edx]+R[eax]*2+8]，其对应的Intel格式的操作数为“[edx+eax*2+8]”。
        • ⑥在指定数据长度方面，AT&T格式指令操作码的后面紧跟一个字符，表明操作数大小，“b”表示 byte（字节)、“w”表示 word（字）或“l”表示long（双字)。Intel格式也有类似的语法，它在操作码后面显式地注明byte ptr、word ptr或dword ptr。
    • 常用指令（intel格式）
      • 标记（表示寄存器、内存或常数）
        • <reg>: 表示任意寄存器，若其后带有数字，则指定其位数，如<reg32>表示32位寄存器(eax、ebx、ecx、edx、esi、edi、esp或ebp)<reg16>表示16位寄存器( ax、bx、cx或dx; <reg8>表示8位寄存器（ah、al、bh、bl、ch、cl、dh、dl)。
        • <mem>: 表示内存地址（如[eax]、[var+4]或dword ptr [eax+ebx])。
        • <con>: 表示8位、16位或32位常数。<con8>表示8位常数;<con16 >表示16位常数
      • 数据传送指令
        • mov指令
          • 功能
            • 将第二个操作数（寄存器的内容、内存中的内容或常数值）复制到第一个操作数（寄存器或内存）。但不能用于直接从内存复制到内存
          • 语法
        • push指令
          • 功能
            • 将操作数压入内存的栈，常用于函数调用。ESP是栈顶，压栈前先将ESP指减4（栈增长方向与内存地址增长方向相反），然后将操作数压入ESP指示的地址
          • 语法
        • pop指令
          • 功能
            • 先将ESP指示的内容出栈，再将ESP值加4
          • 语法
      • 算数和逻辑运算指令
        • add/sub指令
          • 功能
            • 将两个操作数相加/减，结果保存到第一个操作数中；
          • 语法
        • inc/dec指令
          • 功能
            • 将操作数自加1（自减1）
          • 语法
        • imul指令
          • 功能
            • 带符号整数乘法指令，有两种格式: ①两个操作数，将两个操作数相乘，将结果保存在第一个操作数中，第一个操作数必须为寄存器；②三个操作数，将第二个和第三个操作数相乘，将结果保存在第一个操作数中，第一个操作数必须为寄存器。
          • 语法
        • idiv指令
          • 功能
            • 带符号整数除法指令，只有一个操作数，即除数；被除数位edx:eax中的内容（64位整数），操作结果有两部分：商和余数，商送到eax，余数送到edx
          • 语法
        • and/or/xor指令
          • 功能
            • 逻辑与、或、异或指令，用于操作数的位操作
          • 语法
        • not指令
          • 功能
            • 位翻转指令，即0→1，1→0
          • 语法
        • neg指令
          • 功能
            • 取负指令
          • 语法
        • shl/shr指令
          • 功能
            • 逻辑移位指令。shl为逻辑左移，shr为逻辑右移；第一个操作数表示被操作数，第二个操作数表示移位的位数
          • 语法
      • 控制流指令
        • 
        • jmp指令
          • 功能
            • 控制IP转移到label所指示的地址（从label中取出指令执行）
          • 语法
        • jcondition指令
          • 功能
            • 条件转移指令，依据CPU状态字中的一系列条件状态转移。CPU状态字中包括指示最后一个算数运算结果是否为0，运算结果是否为负数等
          • 语法
        • cmp/test指令
          • 功能
            • cmp指令用于比较两个操作数的值，test指令对两个操作数进行逐位与运算。这两类指令都不保存操作结果，仅根据运算结果设置CPU状态字中的条件码
          • 语法
        • call/ret指令
          • 
          • 功能
            • 分别用于实现子程序（过程、函数等）的调用及返回
          • 语法
  • 过程调用的机器级表示（call/test）
    • 执行步骤
      • 假定过程P（调用者）调用过程Q（被调用者）
      • 1) P将入口参数(实参)放在Q能访问到的地方。
      • 2) P将返回地址存到特定的地方，然后将控制转移到Q。
        • 通过call指令实现
      • 3) Q保存P的现场(通用寄存器的内容)，并为自己的非静态局部变量分配空间。
      • 4) 执行过程Q。
      • 5) Q恢复P的现场，将返回结果放到Р能访问到的地方，并释放局部变量所占空间。
      • 6) Q取出返回地址，将控制转移到P。
        • 通过ret指令实现
    • 存储区域
      • 寄存器
        • 调用者保护寄存器
          • EAX
          • ECX
          • EDX
          • 保护和恢复的任务由过程P负责，当P调用Q时，Q可以直接使用这三个寄存器
        • 被调用者保护寄存器
          • EBX
          • ESI
          • EDI
          • Q必须先将它们的值保存在栈中才能使用它们，并在返回P之前恢复其值
      • 栈
        • 栈帧
          • 栈的组成单元，每个过程都有自己的栈帧，用于保存入口参数、返回地址、过程P的现场、过程Q的局部变量、返回结果等
        • 帧指针寄存器EBP
          • 指示栈帧的起始位置（栈底）
        • 栈指针寄存器ESP
          • 指示栈顶，栈从高地址向低地址增长
    • 举例程序
      • 机器代码
        • • 栈帧过程分析
            • 最初进入caller时，将EBP的值压入栈中
            • caller只是用了调用者保存寄存器EAX，没有使用任何被调用者保存寄存器，因而在caller栈帧中无须保存除EBP外的任何寄存器的值
            • caller有三个局部变量temp1、temp2和sum皆被分配在栈帧中
            • 在call指令调用add函数之前，caller先将入口参数从右向左一次将temp2、temp1保存到栈中
            • 在执行call指令时再把返回地址压入栈中
            • 4+12+8+4=28（栈帧大小必须是16字节的倍数，故有4字节的空间被浪费
  • 选择语句的机器级表示
    • 条件码（标志位）
      • CPU维护一组条件码寄存器，描述了最近的算术或逻辑运算操作的属性
      • CF：进（借）位标志
        • 最近无符号整数加（减）运算后的进（借）位情况。有进（借）位时，CF=1；否则CF=0；
          • 针对无符号数
      • ZF：零标志
        • 最近的操作的运算结果是否为0。若结果为0，ZF=1；否则ZF=0
      • SF：符号标志
        • 最近的带符号数运算结果的符号。若为负，SF=1；否则SF=0
      • OF：溢出标志
        • 最近的带符号数运算结果是否溢出。若溢出，OF=1；否则OF=0
      • 针对带符号数
    • if语句
    • switch语句
      • 编译转换过程
        • 构造跳转表，并正确设置索引值
  • 循环语句的机器级表示
    • do-while循环
      • 通用形式
        • • 翻译为goto语句
    • while循环
      • 通用形式
        • • 转换为do-while循环
          • 翻译为goto语句
    • for循环
      • 通用形式
        • • 翻译为goto语句