王道计算机组成原理第四章指令系统_思维导图模板

第四章指令系统

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

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，
对使用频率较高的指令，分配较短的操作码；
对使用频率较低的指令，分配较长的操作码；
从而尽可能减少指令译码和分析的时间

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；
暂不考虑存结果，共访存2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）。
便于编制程序（用间接寻址可以方便地完成子程序返回）。

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；
暂不考虑存结果，共访存1次

优点：指令字短且执行速度快，支持向量/矩阵运算。
指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器

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；
暂不考虑存结果，共访存2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；
暂不考虑存结果，共访存1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”
应为：“A是相对于下一条指令地址的位移量”

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）。
相对寻址广泛应用于转移指令

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
imul d,s 乘 #有符号数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
idiv s 除 #有符号数除法 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

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