计算机组成原理——指令系统

一 指令系统

什么是指令（机器指令）？

指令是指示计算机执行某种操作的命令，例如add进行加操作，以及其他加减乘除和逻辑运算等。一台计算机的所有指令的集合构成该计算机的的指令系统（指令集）。

1 指令的基本格式

指令就是一组二进制代码，指令 = 操作码字段 + 地址码字段

操作码：识别指令，了解指令功能，区分操作数地址内容的组成和使用方法

地址码：给出被操作数的信息的地址

指令的长度与机器字长没有关系，可以等于也可以不等，例如单字长，半字长，双字长指令（都是字节的整数倍）

一个指令系统中，所有指令长度一样为定长指令字结构；指令长度随功能而异称为变长指令字结构

取指令是一次访存，按地址取数也是一次访存，放回运算结果也是一次访存

1.1 零地址指令

只给出操作码OP，没有显式地址

（1）不需要操作数，如空操作，停机操作，关中断指令等

（2）仅用在堆栈计算机中。另个操作数隐含的从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器运算再隐含的压回栈顶

1.2 一地址指令

（1）只有目的操作数的单操作数指令，按A1地址取数完成操作后存回原地址，OP(A1)—>A1，比如加1，减1；三次访存

（2）隐含约定目的地址的双操作数指令，按A1取数，另一个隐含在ACC累加器中，运算结果也放在ACC中，(ACC)OP(A1)—>ACC；2次访存

1.3 二地址指令

(A1)OP(A2)—>A1，分别给出目的操作数地址和源操作数地址，目的地址还保留本次运算结果；四次访存

1.4 三地址指令

(A1)OP(A2)—>A3；四次访存

1.5 四地址指令

(A1)OP(A2)—>A3，A4是下一条要执行的指令的地址，即执行指令后，PC修改为A4所指地址；四次访存

2 定长操作码指令格式

指令字的最高位取n位固定的长度表示指令，有2ⁿ种指令，简化硬件设计，指令译码和识别速度快

3 扩展操作码指令格式

在定长指令长度的前提下采用可变长度操作码丰富指令种类，但增加了译码难度，控制器设计更复杂

常见方法是扩展操作码，但是扩展的方法会有所变动，例如取不同的一地址，二地址，三地址的指令条数

（1）短码不能是长码的前缀，比如

1111 0000

1111 1000

此时重叠，导致冲突

（2）各指令的操作码一定不能重复

一般情况常把使用频率高的指令分配较短的操作码，减少指令译码和分析时间

4 指令的操作类型

（1）数据传送

寄存器之间或者CPU，内存等

（2）算术和逻辑运算

ADD,SUB,CMP,MUL,DIV,INC,DEC,AND,OR,NOT,XOR等

（3）移位操作

（4）转移操作

无条件转移，条件转移，调用，返回，陷阱等

（2）输入输出操作

二 指令的寻址方式

是指寻找指令或操作数有效地址的方式，常分为指令寻址和数据寻址两大类

指令的地址码不是真实地址的称为形式地址（A），操作数的真实地址称为有效地址（EA）

1 指令寻址和数据寻址

1.1 指令寻址

寻找下一条将要执行的指令地址

（1）顺序寻址

程序计数器PC自动加1（一个指令字长），自动形成下一条指令的地址

（2）跳跃寻址

通过转移类指令实现，例如四地址中的A4，但是是否跳跃瘦状态寄存器和操作数的控制

绝对地址：标记符直接得到

相对地址：当前指令地址的偏移量

跳跃的结果是修改PC的值

1.2 数据寻址

是指如何在指令中表示一个操作数的地址，如何用这种表示得到操作数

2 常见的数据寻址方式

2.1 隐含寻址

不明显给出操作数的地址，例如零地址或者一地址的指令格式，隐含操作数在ACC或者堆栈中

缩短了指令字长，但是需要增加操作数或隐含地址的硬件

2.2 立即（数）寻址

地址段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身（立即数），补码表示

不用访存，指令执行时间短，但是位数限制了立即数的范围

2.3 直接寻址

指令中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，EA=A

寻址简单，一次访存，但A的位数决定了寻址范围，不易修改

2.4 间接寻址

指令的地址段给出的形式地址不是真实的地址，而是真实地址所在的存储单元的地址，EA=(A)，可以是一次间接，也可以是多次

如图所示，主存第一位是1，表示不是真实地址，还需要查找，直到第一位是0

可寻址范围大，便于编程；但需要多次访存，速度慢

2.5 寄存器寻址

指令中直接给出寄存器编号，EA=R_i，操作数在寄存器中

不访存，执行速度快，支持向量矩阵运算；但是贵，数量有限

2.6 寄存器间接寻址

R_I中不是操作数，而是真实地址的地址，EA=（R_i）

比一般间接寻址更快，需要访存

2.7 相对寻址

把PC中的内容加上指令格式中形式地址A形成真实地址，EA=(PC)+A，A就相当于PC的偏移量，可正可负，补码表示

A的位数决定寻址范围

操作数地址不固定，随PC值改变，便于程序浮动（一段代码在程序中浮动）；常用于转移指令

取出转移指令后PC的值会自增，比如指令字长2B，以字节编址，那么PC+2，真实地址就是PC+2+A

2.8 基址寻址

将CPU中基址寄存器BR（面向操作系统）的内容加上形式地址A形成真实地址，EA=(BR)+A，BR可以是专用的也可以是通用寄存器

程序执行时，BR的内容不变，A会变动

寻址范围大，用户不用考虑程序在内存的位置，有利于多道程序设计，编址浮动程序（在内存中浮动），但A的位数较短

2.9 变址寻址

形式地址A加上变址寄存器IX（面向用户）的内容为真实地址，EA=(IX)+A，IX可以是专用的也可以是通用寄存器

A不变，IX的内容（偏移量）可以用户进行改变

寻址范围大，且适合编制循环程序（例如循环访问数组），for（i=0,；i<n；i++）中的i就相当于IX

2.10 堆栈寻址

堆栈是存储器（或寄存器组）中一块特定的后进先出的存储区

这个区域的读写单元的地址是特定的寄存器给出，称为堆栈指针SP

（1）硬堆栈（寄存器），成本高

（2）软堆栈，从内存中取一部分

常是无操作数指令的形式，读写后SP自动完成增减

复合寻址 ，EA = (IX )+((BR)+A)

三 程序的机器级代码表示

基于X86处理器

1 常用汇编指令介绍

使用不同编程工具开发程序，用到的汇编程序也不用，汇编格式也不同，一般有AT&T，Intel格式

AT&T	Intel
只能小写	不敏感
源—>目的	目的<—源
寄存器前加%，立即数前加$	无
寻址符号（）	寻址符号【】
复杂寻址“disp（base，index，scale）”，表示偏移量，基址，变址和比例因子，base+index*scale+disp	直接就是base+index*scale+disp
b字节，w字，l双字	byte ptr，word ptr，dword ptr

汇编指令常分为数据产生，逻辑计算，控制流

常用指令

（1）mov

第二个操作数复制到第一个；不能从内存到内存

（2）push

将操作数压入内存的栈

ESP是栈顶，压入前ESP减4（栈增长方向和内存地址方向相反），然后把数压入ESP所指地址

（3）pop

出栈，先把内容出栈，然后增加4

（4）add/sub

add相加，把结果保存到第一个数；sub相减，把结果保存到第一个数

（5）inc/dec

把操作数自增1，自减1

（6）imul

带符号整数乘法指令；两个操作数放入第一个操作数时必须是寄存器；三个操作数放入第一个操作数时必须是寄存器

（7）idiv

带符号整数除法指令，只有一个操作数，即除数，被除数在寄存器edx：eax（64位）中，商送到eax，余数送到edx

（8）and/or/xor

逻辑与，逻辑或，逻辑异或

（9）not 位翻转

（10）neg 取负指令

（11）shl/shr

逻辑左移，逻辑右移，第一个操作数表示被操作数，第二个表示移位的位数

（12）jmp

控制ip到label所指示的地址

（13）jcondition

条件转移指令，根据CPU状态字中的条件状态转移

（14）cmp/test

比较/逐位与运算，都不保存结果，根据结果设置CPU状态字的条件码

（15）call/ret

子程序的调用和返回。

call保存当前指令地址，然后转移，ret返回，然后弹出保存的指令地址无条件转移

2 过程调用的机器级表示

就是函数调用时各类数据的流动和栈的调用与返回

3 选择语句的机器级表示

常见的有if-then，if-then-else，case（swith）等

通过条件码设置指令和各类转移指令来实现

（1）条件码/标志码

CF进位,ZF零标志,SF符号,OF溢出

（2）if语句

4 循环语句的机器级表示

（1）do-while

（2）while

（3）for

四 CISC和RISC的基本概念

指令系统发展方向：

（1）增强原有指令功能，形成更复杂的复杂指令系统计算机（CISC）

（2）减少指令种类和简化功能，提高速度，精简类指令系统计算机（RISC）

1 CISC

复杂庞大，指令数目200以上

指令长度不固定，格式多，寻址方式多

可以访存的指令不受限制

不同指令使用频度相差大，有的使用很多，有的使用很少，且执行时间相差大

控制器采用微程序控制，难以用优化编译生成高效程序

不够合理

2 RISC

要求指令系统简化，尽量使用寄存器-寄存器操作指令

用简单指令来实现复杂指令

指令长度固定，格式种类少，寻址方式少

只有load/store指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行

通用寄存器很多，一定采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期完成

重视编译优化，减少程序执行时间

RISC更能利用VLSI芯片的面积，更能提高运算速度，便于设计，减低成本，提高可靠性，有利于编译程序代码优化

但早期多是CISC，所有CISC的兼容性更好