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计算机组成原理
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目录 指令格式 指令的定义 指令格式 根据地址码数量不同分类 根据指令长度分类 根据操作码长度不同分类 根据操作类型分类 扩展操作码指令格式 扩展操作码举例1 扩展操作码举例2 定长操作码和扩展操作码的优缺点分析 定长操作码 扩展操作码 指令寻址 顺序寻址 定长指令字结构 变长指令字结构 跳跃寻址 数据寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 隐含寻址 立即寻址 偏移寻址 基址寻址 变址寻址 基址&变址复合寻址 相对寻址 区别 堆栈寻址 硬堆栈实现 软堆栈实现 汇编语言 高级语言与机器级代码之间的对应 x86汇编语言指令基础 常用x86汇编指令 常见的算数运算指令 常见的逻辑运算指令 其他指令 AT&T格式v.s.Intel格式 选择语句的机器级表示 程序中的选择语句（分支结构）、 编辑 无条件转移指令--jmp 条件转移指令--jxxx 示例 编辑 循环语句的机器级表示 用条件转移指令实现循环 用loop指令实现循环 CISC和RISC CISC RISC CISC和RISC差异 指令格式 指令的定义指令（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。 一台计算机的所有指令的集合构成了该机的指令系统，也称为指令集。 注：一台计算机只能执行自己的指令系统中的指令，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。 根据地址码数量不同分类一条指定通常要包括操作码字段和地址字段两部分： 操作码：指明了用户要干什么？ 地址码：指明了对谁进行操作？
一条指定可能包含0个、1个、2个、3个、4个地址码.. 根据地址码数目的不同，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令.. 零地址指令
一地址指令
注：A1指某个主存地址（类比C语言中的指针），(A1)表示A1所指向的地址中的内容（指针所指位置的内容） 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A2 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的值修改位A4所指地址（跳着执行指令） 若指令总长度固定不变，则地址码数量越多，寻址能力越差 根据指令长度分类指令字长：一条指定的总长度(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-> 控制器的译码电路设计简单，但灵活性较差 可变长操作码：指令系统中个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 数据传送 （进行主存与CPU之间的数据传送） LOAD 作用：把寄存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、位求反移位操作 算术移位、逻辑移位、循环移位(带进制和不带进制)转移操作(程序设计类-改变程序执行流) 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RETURE 陷阱（Trap）与陷阱指令输入输出操作 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) 扩展操作码指令格式定长指令字结构+可变长操作码 扩展操作码举例1指令字长为16位，每个地址码占4位： 前4位为基本操作码字段OP，另有3个4位长的地址字段A1、A2、A3 4位基本操作码若全部用于三地址指令，则有16条。 但至少须将1111留作扩展操作码之用，即 三地址指令为15条 ； 1111 1111留作扩展操作码之用，二地址指令为15条； 1111 1111 1111 留作扩展码之用，一地址指令为15条； 零地址指令为16条。 还有其他扩展操作码设计方法。 在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点： 不允许短码是长码的前缀部分的代码相同，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。各指令的操作码一定不能重复。通过情况下，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。 扩展操作码举例2设指令字长固定为16位，试设计一套指令系统满足：有15条三地址指令、12条二地址指令、62条一地址指令、32条零地址指令 根据每种指令的条数来设计，如下：
CPU如何分析指令： CPU首先先看指令的前4为如果不是全1就按照三地址指令执行，如果前4位是1，5、6位不是1按二地址指令执行，如果前6位是1，接着5位不是1按一地址指令执行，如果前11位是1按零地址指令执行。 设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出m×
定长操作码：在指令字的最高位部分分配固定的若干位(定长)表示操作码。 -一般n为操作码字段的指令系统最大能够表示 - 优：定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利 - 缺：指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限 扩展操作码扩展操作码(不定长操作码)：全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。 -最常见的变长操作码方法是扩展操作码，使操作码的长度随地址码的减 少而增加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足 需要的前提下，有效地缩短指令字长。 -优：在指令字长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 顺序寻址（PC）+"1"-->PC 这里的1理解为1个指令字长，实际加的值会因指令长度、编址长度而不同 定长指令字结构下面系统采用定长指令字结构，指令字长=存储字长=16bit=2B 主存按字编址，每次只需要将指令寄存器的值+1即可
下面系统采用定长指令字结构，指令字长=存储字长=16bit=2B 主存按字节编址，每次只需要将指令寄存器的值+2即可
下面系统采用定长指令字结构，指令字长=存储字长=16bit=2B 主存按字节编址，每个颜色代表一个指令。读入一个字，根据操作码判断是几地址指令，然后判断这条指令的总字节数n，修改PC的值，根据指令的类型，CPU还要进行多次访存，每次读入一个字
由转移指令指出 下面系统采用定长指令字结构，指令字长=存储字长=16bit=2B 主存按字节编址 JMP:无条件转移把PC中的内容改为JMP地址码中的数据
确定本条指令的地址码指明的真实地址 由于寻址方式多种多样，需要在地址码当中加入寻址方式位，以指明用哪种寻址方式进行寻址 一地址指令形式： 二地址指令形式： 假设指令字长=机器字长=存储字长 、假设操作数为3，进行以下寻址方式的讲解 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：取指令访存一次 执行指令访存一次 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的地址，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)。
一次间址一条指令的执行：取指令 访存1次 执行指令 访存2次 暂不考虑存结果 共访存3次 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）。 便于编址程序（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（一次间址需两次访存，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=Ri，其操作数在由Ri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： 指令在执行阶段不访存主存，只访问寄存器， 指令字短且执行速度块，支持向量/矩阵运算。 缺点： 寄存器加个昂贵，计算机中寄存器个数有限。 寄存器间接寻址寄存器Ri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=(Ri)。
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的位数是n，且立即数采用补码时，可表示的数据范围为-
将CPU中的基址寄存器（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。 第一种采用专用寄存器BR作为基址寄存器
第二种采用通用寄存器作为基址寄存器
采用基址寻址无需修改指令中的地址码
优点： 便于程序“浮动”，方便实现多道程序并发执行可扩大寻址范围（基址寄存器的位数大于形式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注：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确定。 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，即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。
注：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) 变址寄存器的作用： 看这个循环程序 for(int i=0;iACC(SP)+1->SP POP X (Msp)->X (SP)+1->SP ADD(相加指令) Y (ACC)+(X)->Y PUSH(压入指令) Y (SP)-1->SP (Y)->Msp
每次POP和PUSH指令都不需要访存，所以这种方式快，但是成本高。 软堆栈实现从主存中划出一片存储区域作为堆栈
每次POP和PUSH指令都需要访存，所以这种方式慢，但是成本低，往往采用这种。
以mov指令为例 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。 mov eax，ebx #将寄存器ebx的值复制到寄存器eax mov eax，5 #将立即数5复制到寄存器eax mov eax，dword ptr [ad996h] #将内存地址ad996h所指的32bit值复制到寄存器eax mov byte ptr [ad996h]，5 #将立即数5复制到内存地址ad996h所指的一字节中 如何指明内存的读写长度： dword ptr--双字，32bitword ptr--单字，16bitbyte ptr--字节，8bitx86架构CPU，有哪些寄存器 分为通用寄存器、变址寄存器、堆栈指针
通用寄存器使用非常灵活，可以使用其中的16bit或者8bit
mov eax, dword ptr [ebx] #将ebx所指主存地址的32bit复制到eax寄存器中 mov dword ptr [ebx], eax #将eax的内容复制到ebx所指主存地址的32bit mov eax, byte ptr [ebx] #将ebx所指的主存地址的8bit复制到eax mov eax, [ebx] #若未指明主存读写长度，默认32 bit mov [af996h], eax #将eax的内容复制到af996h 所指的地址（未指明长度默认32bit) mov eax, dword ptr [ebx+8] #将ebx+8所指主存地址的32bit复制到eax寄存器中 mov eax, dword ptr [af996-12h] #将af996-12所指主存地址的32bit复制到eax寄存器中
edx:eda/s的意思是，32位的被除数除32位的除数时，需要先将32位的被除数位扩展为64位，所以就需要edx、eda两个寄存器来存储 关于王道书的解释
用于实现分支结构、循环结构的指令：cmp、test、jmp、jxxx 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v.s.Intel格式AT&T格式是Unix、Linux的常用格式 Intel格式是Windows的常用格式
程序寄存器PC的值都会每次取回一条指令，就会自动+”1“,指向下一条即将执行的指令，但是分支结构可能会改变程序的执行流。 
无条件转移指令--jmp
由于地址不明确，为了灵活使用，可以使用以下指令jmp NEXT
在每一个条件转移指令之前，一般需要加上cmp指令
如上图，这样一个选择语句的程序，有两种表示方法 第一种：
第二种：
用条件转移指令实现循环，需要4个部分构成： 循环前的初始化是否直接跳过循环循环主体是否继续循环
loop Looptop等价于： dec ecx cmp ecx,0 jne Looptop 理论上，能用loop指令实现的功能一定能用条件转移指令实现，使用loop指令可能会使代码更加清晰简洁 补充：loopx指令--如loopnz，loopz loopnz--当ecx!=0&&ZF==0时，继续循环 loopz--当ecx!=0&&ZF==1时，继续循环 CISC和RISC两种设计方式 CISC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 89-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令 比如设计一套能实现整数、矩阵加/减/乘运算的指令集： CISC的思路：除了提供整数的加减乘指令除之外，还提供矩阵的加法指令、矩阵的减法指令、矩阵的乘法指令 一条指令可以由一个专门的电路完成 有的复杂指令用纯硬件实现很困难->采用“存储程序‘的设计思想，由一个比较通用的电路配合存储部件完成一条指令 RISC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 比如设计一套能实现整数、矩阵加/减/乘运算的指令集： 一条指令一个电路，电路设计相对简单，功耗更低 ”并行“、”流水线“ CISC和RISC差异
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