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接上一篇 学习笔记（三）
六、指令和程序
1.指令
（1）指令
CPU是计算机的大脑，负责运行各种程序，而一个程序是由指令（指示计算机要做什么）组成的。
无论是指令还是数据，都是以二进制形式存储在内存中，假如某个内存单元中存储的是“0000 0001B”，当CPU要从这个单元取出指令的时候，这个内容就会被当做指令来解码；当CPU要从这个单元取出数据来参与运算的时候，这个内容就会被当做数字1来运算。（在学完汇编语言后，我对这一点印象深刻。）
一条指令包含了操作码以及要访问的内存地址或寄存器。当CPU读取一条指令后，可以根据操作码来执行对应的操作，并通过读写内存或寄存器来获取数据参与运算，或者是存储运算结果。换句话说，操作码指示CPU该做什么操作，而内存地址或寄存器指示CPU数据来源或是将运算结果保存到哪里。
（2）指令集
① 指令集
一个CPU可以支持多种不同的指令（如“向内存中存储一个数据”、“将两个数据相加”、“跳转到某一条指令”等），每一种被支持的指令都有一个编号，称为操作码。CPU的指令集中存储了该CPU支持的所有指令（的操作码）。计算机之所以强大，就是因为它是可编程的，越高级的CPU往往拥有更大的指令集，可以更加灵活地实现更多功能。硬件中没有设计的一些功能，可以通过程序中的一条条指令来完成。
② ADD 指令&SUB指令
ADD指令是加法指令，需要两个操作数作为参数，运算结果保存在第一个参数中，因此参数给出的顺序很重要。SUB指令是减法指令，也需要两个操作数作为参数，运算结果也是保存在第一个参数中。
通过ADD指令、SUB指令与跳转指令的结合，可以编写程序实现乘法或者除法功能。虽然硬件中没有设计乘法或者除法电路，但是通过软件（编程）可以实现。
③ 跳转指令
JUMP是无条件跳转指令，可以跳转到程序的指定位置，原理是根据指令中的参数修改CPU中的指令地址寄存器（汇编语言中的CS:IP）。
还有一些是有条件跳转指令，只有当满足条件时才发生跳转，否则就什么也不做。比如 JUMP_NEGATIVE指令，只有当标志寄存器中的负数标志（ALU计算结果会输出标志寄存器的值）为true时才发生跳转。
④ HALT指令
HALT指令表示程序的结束。
（3）指令长度
一条指令的长度即指令长度。如果指令长度为8bit，假设用4位表示操作码，那么这个CPU的指令集中最多可以有16条指令，更多的指令就无法表示了；假设用另外4位表示内存地址，那么最多只能操作16个内存单元，这着实不多。为了扩展功能，现代CPU通常采用32位或者64位指令长度，这样就可以有更丰富的指令集。
还有一种策略是可变指令长度。在取值阶段，如果读到的指令是JUMP，那么很显然这个JUMP指令的后边会紧跟着一个表示目标跳转位置的参数；如果读到的指令是HALT，那么显然这个HALT指令不需要任何参数，可以直接执行。这会使取值阶段变得复杂一些，但是每条指令的长度可以是不同的（而不是JUMP指令、ADD指令、HALT指令都必须是8bit的长度），这种设计更加灵活。（根据之前学的汇编语言做一点补充：同一个指令的长度是固定的，比如ADD指令，在同一个CPU中ADD指令如果是8bit那么就一直是8bit，但同时HALT指令的长度可以是2bit，如果也要使用8bit那就浪费了空间。CPU分析指令的操作码就可以知道这条指令的长度，并且能正确地取出这条指令中操作码后边跟着的参数。）
（4）指令地址寄存器&指令寄存器
一个程序通常有多条指令。为了能够按顺序执行指令，CPU中有一个“指令地址寄存器”和一个“指令寄存器”。当启动计算机时，所有寄存器的初始值为0 。
① 指令地址寄存器，用来存储当前指令所在的内存地址（指令以二进制形式存储在内存中），CPU中的控制单元会自动修改指令地址寄存器的内容，以获取下一条指令。
② 指令寄存器，用来存储从内存中取出来的当前的指令。这条指令会在控制单元中被解码，之后控制单元将操作码以及相应的数据送往ALU进行计算，或者是与寄存器或内存通信以存取数据。
（5）指令的执行过程
① 第一阶段：取指令
根据指令地址寄存器中存储的地址（汇编语言中学过，这就是CS:IP指向的内存地址），从内存中读取数据，将读取到的数据存储到指令寄存器中。
② 第二阶段：解码
将指令送往“控制单元”这个部件中进行解码，即根据指令中的操作码判断应当执行的操作是什么。控制单元就像乐团的指挥，控制CPU中各个部件执行各自的操作。
③ 第三阶段：执行
这一步由控制单元负责指挥。如果需要数据参与运算，那么控制单元就与寄存器或者内存通信以读取数据。如果需要计算（包括算术运算与逻辑运算），控制单元就将相应的数据以及操作码作为输入，送往算术逻辑单元（ALU）处理。运算的结果需要存储，那么控制单元就与寄存器或者内存通信以写入数据。
最后还有一步：根据当前指令的长度，修改指令地址寄存器，目的是让这个寄存器中的地址指向下一条指令所在的内存单元。至此，一条指令执行完成（或者说一条指令周期完成）。
2.时钟
（1）时钟频率
一条条指令的执行，需要有条不紊地进行。在CPU中是“时钟”这个部件以精确的间隔触发电信号，控制单元根据这种信号来按照步骤执行操作。就像列队前进时有一个人负责有规律地喊“一二一”，从而确保整个队伍有序前进。也有点像做广播体操时，广播中会播出口令“一二三四五六七八”，而做操的人就按照口令来做出对应的动作。
时钟有时钟速度（频率），单位是赫兹Hz，1Hz表示每一秒钟CPU完成一个指令执行周期。这个速度不能太高。就像做广播体操时，如果口令喊得太快，做操的人就会无法跟上。计算机中的电信号也需要一定的传送时间，如果时钟速度过高，CPU会跟不上速度，可能会过热或者产生乱码。
（2）超频&降频
不过现代计算机中，一般厂商会留有余地，使得用户可以在一定范围内超频，即提高时钟速度以加快CPU的速度。有时，也可以通过降频来省电。许多现代处理器可以动态调整时钟的频率，以优化资源利用。
我的疑惑
1.开机后寄存器的初始值
公开课中老师讲的是，当启动计算机时，所有寄存器的初始值为0 。这一点与x86汇编语言中学的不相符，汇编语言中讲的是，CPU一加电就会读取FFFF0处的指令，那也就是说初始值CS=FFFF IP=0000。也许是因为，这个公开课的老师是讲解了通用的原理，而汇编语言教材的作者是讲解针对8086CPU的具体情况？
2.在哪个阶段修改指令地址寄存器
在公开课视频中，老师讲的是取指、解码、执行，最后才是修改指令地址寄存器；然而在之前学习汇编语言时，王爽老师（教材作者）讲的是取回指令之后，就将CS:IP指向下一条指令，然后再执行当前指令。我的疑惑是：究竟修改CS:IP（或者说指令地址寄存器）的这一步，是在什么时候进行的呢？）
2022.11
总结
本篇内容：
指令、指令集、指令长度、指令执行的过程、时钟频率