指令系统

ISA

所有指令的集合构成该机器的指令系统，又称指令集。是ISA（指令集体系结构最核心的部分）

ISA规定的内容包括

• 指令格式，指令寻址方式，操作类型，每种操作对应的操作数的规定
• 操作数类型，操作数寻址方式，大端法or小端法
• 程序可访问的寄存器的编号，个数和位数，存储空间的大小和编址方式
• 指令执行过程的控制方式等，包括程序计数器、条件码定义

指令格式

总体分为 操作码+地址码的形式

具体可分为

• 零地址指令：仅有操作码op，没有显式地址。 如：空操作，停机，中断
• 一地址指令：op+A1 如：+1 -1 求反 求补
• 二地址指令：op + A1 +A2 指令含义：（A1）op （A2） 存到 A1
• 三地址指令：与二地址不同的是存到A3
• 四地址指令：与三地址不同的是 A4是下一条指令的地址

拓展操作码

一种典型方法 简单理解为 前面都是1代表操作码还未停止 读取到第一次 1111 代表后面为操作数

例题三道

在 CPU 执行指令的过程中，指令的地址由 ( ) 给出。

A. 程序计数器 (PC)
B. 指令的地址码字段
C. 操作系统
D. 程序员

设机器字长为 32 位，一个容量为 16MB 的存储器，CPU 按半字寻址，其寻址单元数是

()。

$B.2^{23}$

$A.2^{24}$

$C.2^{22}$

$D.2^{21}$

在指令格式中，采用扩展操作码设计方案的目的是（ ）。

A. 减少指令字长度

B. 增加指令字长度

C. 保持指令字长度不变而增加指令的数量

D. 保持指令字长度不变而增加寻址空间

设计某指令系统时，假设采用 16 位定长指令字格式，操作码使用扩展编码方式，地址码为 6 位，包含零地址、一地址和二地址 3 种格式的指令。若二地址指令有 12 条，一地址指令有 254 条，则零地址指令的条数最多为 ( )。

A. 0
B. 2
C. 64
D. 128

答案 ABCD

寻址方式

指令寻址

1. 顺序寻址：PC自动加一
2. 跳跃寻址：通过转移指令实现，分为绝对和相对，绝对为直接给出下条指令地址，相对为给出偏移量 PC加上偏移量

数据寻址

方式较多，为了区别在指令字设置一个寻址特征字段，用于指明寻址方式，位数决定寻址方式种类，格式如下

操作码+寻址特征+形式地址A

• 若为立即寻址，形式地址的位数决定了操作数的范围
• 直接寻址，位数决定可寻址范围
• 寄存器寻址，位数决定通用寄存器的最大数量
• 寄存器间接寻址，寄存器的位数决定可寻址的范围

常见的数据寻址方式

• 隐含寻址：不直接给出操作数的地址 例如：单地址指令隐含第二个操作数由累加器提供 只指明第一个操作数地址
• 立即寻址：地址字段给的不是地址，而是操作数本身 用补码表示
• 直接寻址：给的就是操作数的地址
• 间接寻址：给的不是操作数的地址而是操作数的有效地址在主存单元的地址
• 寄存器寻址：给出的是操作数所在寄存器的编号
• 寄存器简介寻址：寄存器中存的是操作数在主存单元的地址，先寄存器寻址再间接寻址
• 相对寻址：有效地址等于（PC）+A
• 基址寻址：EA = （BR）+ A BR为基址寄存器的内容
• 变址寻址：EA= （IX）+ A IX为变址寄存器 区别是 变址寄存器面向用户 用户可更改

程序的机器级代码表示

其中ebp esp用处较为固定 前者为堆栈基指针 后者为堆栈顶指针

常见机器级指令

• mov：将第二个数（寄存器，内存的内容，常数）复制到第一个数（寄存器或内存）
• push：将操作数压入内存的栈 esp为栈顶 入栈前先将esp值减4
• pop: 与push相反 如：pop eax将栈顶送入eax esp+4
• add/sub ：相加或相减 存在第一个操作数中
• inc/dec：自加一自减一
• imul：有符号数乘法 1.两个数乘 存在第一个数 2.三个数 将第二个与第三个相乘 存在第一个
• idiv：有符号数除法 与乘法不同的是 只有一个操作数是除数 被除数为edx：eax的内容 64位 除法结束后商送到eax 余数动刀edx
• and/or/xor：逻辑与或异或，两个操作数 存在第一个里
• not:位翻转
• neg: 取负
• shl/shr:逻辑移位 l代表左移 r代表右移 第一个操作数是被移位的 第二个为移位的位数

控制流指令

• jmp：无条件跳转
• je：when equal
• jz：when last result zero
• jne:when not equal
• jg:when greater
• jge: when greater or equal
• jl:when less
• jle:when less or equal
• cmp/test:cmp相当于 sub test 相当于 and 不同的是 他们不保存结果 仅根据结果设置CPU状态字里的条件码
• call/ret:实现过程函数的调用和返回

过程调用的机器级表示

假定过程 P（调用者）调用过程 Q（被调用者），过程调用的执行步骤如下：

1. P 将入口参数（实参）放到 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。
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 P 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。

步骤 2) 是由 call 指令实现的，步骤 6) 通过 ret 指令返回到过程 P。在上述步骤中，需要为入口参数、返回地址、过程 P 的现场、过程 Q 的局部变量、返回结果找到存放空间。

用户可见寄存器数量有限，调用者和被调用者需共享寄存器，若直接覆盖对方的寄存器，则会导致程序出错。因此有如下规范：寄存器 EAX、ECX 和 EDX 是调用者保存寄存器，当 P 调用 Q 时，若 Q 需用到这些寄存器，则由 P 将这些寄存器的内容保存到栈中，并在返回后由 P 恢复它们的值。寄存器 EBX、ESI、EDI 是被调用者保存寄存器，当 P 调用 Q 时，Q 必须先将这些寄存器的内容保存在栈中才能使用它们，并在返回 P 之前先恢复它们的值。

每个过程都有自己的栈区，称为栈帧，因此，一个栈由若干栈帧组成，寄存器 EBP 指示栈帧的起始位置，寄存器 ESP 指示栈顶，栈从高地址向低地址增长。过程执行时，ESP 会随着数据的入栈而动态变化，而 EBP 固定不变。当前栈帧的范围在 EBP 和 ESP 指向的区域之间。

CISC与RISC

CISC为复杂指令系统计算机 典型为x86

RISC为精简指令系统计算机 典型为ARM和MIPS

CISC

• 指令系统庞大
• 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
• 各种指令使用频度相差大
• 指令执行时间相差大，有很多需要多个时钟周期完成的指令
• 控制器大多采用微程序控制，复杂指令甚至无法硬连线控制
• 难以优化代码

RISC

• 选取高频简单指令，复杂指令由简单指令符合
• 指令长度固定，指令格式少，寻址方式少
• 只有Load/Store访存，其余指令都在寄存器间进行操作
• CPU中通用寄存器多
• 采用流水线，大部分指令在一个时钟周期完成
• 以硬布线控制为主，不用或少用微程序
• 重视编译优化