计算机组成原理·指令系统

指令系统

指令的基本格式

操作码和地址码
指令长度
按地址码数目不同分为
- 零地址指令
  - 不需要操作数的指令
  - 隐含
- 一地址指令
  - 原操作数和目的操作数一样的
  - 隐含目的操作数的
- 二地址指令
  - 前一个操作数保存结果
- 三地址指令
  - 第三个操作数保存结果
- 四地址指令
  - 外加下一条指令地址（下址）

定长操作码指令格式

扩展操作码指令格式

指令的操作类型

数据传送
算术和逻辑运算
移位操作
转移操作
输入输出操作

指令的寻址方式

指令寻址和数据寻址

指令寻址
- 顺序寻址
- 跳跃寻址
数据寻址

常见的数据寻址方式

隐含寻址
立即（数）寻址
直接寻址
间接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
相对寻址
基址寻址
变址寻址
堆栈寻址

指令执行过程

指令周期

指令周期
- 取指
  - 访存取指令
  - 对应CPU内标志触发器FE
- 间址
  - 访存取有效地址
  - 对应IND
- 执行
  - 访存取操作数
  - 对应EX
- 中断
  - 访存保存断点对应INT
机器周期
时钟周期

指令周期的数据流

取指周期
- 任务
- 数据流
  - PC->MAR->data bus->main mem
  - CU->control bus->main mem
  - main mem->data bus->MDR->IR
  - CU->PC
间址周期
- 任务
- 数据流
执行周期
中断周期

指令执行方案

单指令周期
多指令周期
流水线方案

程序的机器级代码表示

常用汇编指令介绍

相关寄存器
- EAX
  - AX
    - AH
    - AL
- EBX
  - …
- ECX
  - …
- EDX
  - …
- 除EBP和ESP之外的寄存器用途比较任意
汇编指令格式
- AT&T格式与Intel格式的比较
常用指令
- 数据传送指令
  - mov（不能内存到内存！）
  - push（栈中元素固定32位）
  - pop
- 算术和逻辑运算指令
  - add/sub
  - inc/dec
  - imul
    - 两个操作数版
      - 结果放在第一个
    - 三个操作数版
      - 第二个和第三个相乘，结果放在第一个
    - 第一个操作数都必须是寄存器
  - idiv
    - 只有除数
    - 被除数为edx:eax（64位）
  - and/or/xor
    - 逐位
    - 结果放在第一个
  - not
  - neg
    - 取负
  - shl/shr
    - 逻辑移位
    - 操作数1表示目标数
    - 操作数2表示移动位数
- 控制流指令
  - jmp <label>
  - jcontition
  - cmp/test
    - cmp 比较两个操作数，前者是否怎样怎样
    - test逐位相与
    - 都不保存结果，只置状态字
    - 与jcondition搭配使用
    - 举例
  - call/ret
    - call <label> 首先需要将下一条指令地址入栈
    - ret

过程调用的机器级表示

选择语句的机器级表示

循环语句的机器级表示

边界对齐、大小端存储

边界对齐

对于一个结构体内的元素，按元素自身大小的整数倍确定偏移量。例如，int大小为4B，则只能从0,4,8, $\cdots$ 处开始存放一个元素。

对于结构体整体，需按照最大元素对齐。（事实上更为复杂）

大小端存储

大端存储，就是一个元素的各个字节按照从前往后的顺序存储。小端存储，就是一个元素的各个字节按照从后往前的顺序存储。例如，int型变量x=-192 (FFFFFFC0H)，按照小端存储，示意图如下

小端存储示意图asadfsad

一道例题（2012）

答案 D（好像是）

cmp、test指令与jmp指令的一个简单例子

cmp eax, ebx
jle done #如果eax的值小于或等于ebx值，跳转到done,否则执行下一条指令
cmp dword ptr [var], 10 #将var指示的主存地址的4字节内容，与10比较
jne loop                #如果相等则继续顺序执行；否则跳转到loop
test eax, eax           #测试eax是否为零
jz xxxx                 #为零则跳转到xxxx