四、指令系统
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1.指令格式
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。
【注意】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。
Eg：x86架构、ARM架构
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：
作用：
2.分类
2.1根据地址码数目不同
2.1.1零地址指令
| OP |
|---|
出现的情况：
- 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令。
- 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。
2.1.2一地址指令
| OP | A1 |
|---|
出现的情况：
- 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
- 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
把ACC中存的数据与A1中存放的数据进行运算，然后把运算结果存到ACC。
完成一条指令需要2次访存：取指→读A1（因为ACC就是累加寄存器，不用取）。
【注意】A指某个主存地址，(A1)表示A所指向的地址中的内容。（类比c语言指针）
2.1.3二地址指令
| OP | A1（目的操作数） | A2（源操作数） |
|---|
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。
2.1.4三地址指令
| OP | A1 | A2 | A3（结果） |
|---|
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 。
2.1.5四地址指令
| OP | A1 | A2 | A3（结果） | A4（下一条指令） |
|---|
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。
若指令总长度固定不变，则地址码数量越多，寻址能力越差。所以有A4寻址能力更好。
2.2根据指令长度
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（不变，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（不变，通常和MDR位数相同）
通常默认：指令字长 = 机器字长 = 存储字长
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。
根据指令长度是机器字长的多少倍：
- 半字长指令
- 单字长指令
- 双字长指令
- 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。
2.3根据操作码的长度不同
-
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→2n条指令（如果操作码固定是n位，那么这个系统最多支持2n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。
-
扩展操作码：指令总长度不变，但是操作码长度（占比）可以改变。
不同地址数的指令使用不同长度的操作码。
2.3.1拓展操作码
定长指令字结构 + 可变长操作码
指令总长度不变，但是操作码长度（占比）可以改变。不同地址数的指令使用不同长度的操作码。
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，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。（类似“哈夫曼编码”）
- 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。
eg.:
2.4根据操作类型
分为4种类型：
-
数据传输类：数据传输
-
运算类：算术逻辑操作、移位操作
-
程序控制类：转移操作
改变程序执行流的顺序。
-
输入输出类（I/O）：输入输出操作
进行CPU寄存器与IO端口之间的数据传送。
细分：
-
数据传送
- LOAD：把存储器中的数据放到寄存器中（存储器→寄存器）。
- STORE：把寄存器中的数据放到存储器中（寄存器→存储器）。
-
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(带进位和不带进位)。
-
转移操作
程序执行流的改变（如if else, 函数调用），会导致程序计数器PC的改变。
- 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
-
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）。
3.指令寻址
指令寻址：确定下一条指令存放的地址。
程序计数器PC：指明一条指令的存放地址。
【注意】Intel x86处理器中，程序计数器PC ( Program Counter）通常被称为IP（Instruction Pointer）。
通常顺序存储的指令，下一条指令的地址：(PC)+1→PC
但是如果按字节编址、采用变长指令字结构则不行。
3.1顺序寻址
( P C ) + ′ 1 ′ → P C (PC) + '1' →PC (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、编址方式而不同。
- 该系统采用**定长指令字结构**
- 指令字长 = 存储字长 = 16bt = 2B（2字节）
- 主存按字编址
则：
(PC) + 1 →PC
- 该系统采用**定长指令字结构**
- 指令字长 = 存储字长 = 16bt = 2B（2字节）
- 主存按字节编址
则：
(PC) + 2 →PC
因为是2字节
- 该系统采用**变长指令字结构**
- 指令字长 != 存储字长 = 16bt = 2B（2字节）
- 主存按字节编址
则：
读入一个字，根据操作码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可能还要进行多次访存，每次读入一个字。
(PC) + n →PC
3.2跳跃寻址
由转移指令指出。
取到#0指令之后，PC就加一了，#0执行完直接执行新的PC。
4.数据寻址
数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址。
因为指令存储不一定都是可以从0开始存储的，所以进行跳跃寻址，会跳到其他程序的指令。所以需要对地址码进行解读。
所以需要添加一个寻址方式（寻址特征）：
而且是每一个形式地址前都有一个寻址特征：
下面在 指令字长 = 机器字长 = 存储字长，操作数为3的情况下讨论：
EA一一effective address
4.1直接寻址
EA = A
访存次数（排除取指令）：1
4.2间接寻址
EA = (A)
多次间接寻址，开始为0则表示EA = (An)
访存次数（排除取指令）：2（一次间接寻址）…n
4.3寄存器寻址
EA = R
寄存器数量不会很多，所以字长较短且很快.
访存次数（排除取指令）：0
4.4寄存器间接寻址
EA = ®
访存次数（排除取指令）：1…n-1
4.5隐含寻址
访存次数（排除取指令）：0
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。
4.6立即寻址
访存次数（排除取指令）：0
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。
4.7偏移寻址
- 基址寻址
EA=(BR)+A
以程序的起始存放地址作为“起点”。
在程序执行过程中，基址寄存器的内容BR不变（BR作为基地址），形式地址可变（A作为偏移量）。
- 变址寻址
EA=(IX)+A
程序员自己决定从哪里作为“起点”。
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（A作为基地址）。
- 相对寻址
EA=(PC)+A
以程序计数器PC所指地址作为“起点”。
其中A是偏移量，可正可负（前后都可以偏移），补码表示。
4.7.1基址寻址
EA=(BR)+A
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。
BR：base address register
【注意】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。程序员无法更改其内容，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。
在程序执行过程中，基址寄存器的内容BR不变（BR作为基地址），形式地址可变（A作为偏移量）。
如果有8个通用寄存器，那么R的大小就是3bit。
优点：
- 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，便于程序浮动（整个程序在内存里边的浮动），方便实现多道程序并发运行。
【Tips】可对比操作系统第三章第一节学习，OS课中的“重定位寄存器”就是“基址寄存器”。
4.7.2变址寻址
EA=A+(IX)
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。
IX：index register
【注意】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（A作为基地址）。
（刚好和基址寻址相反）
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。
【注意】实际使用中往往需要多种寻址方式复合使用（可理解为复合函数）
如先基址寻址，再变址寻址。
4.7.3相对寻址
EA=(PC)+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所指地址的偏移量，可正可负（前后都可以偏移），补码表示。
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。
4.8堆栈寻址
堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP，Stack Pointer）作为操作数地址。
堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按“后进先出(LIFO)”原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针（SP）。
上图是硬堆栈。
-
硬堆栈：专门用寄存器来实现堆栈存贮。
因为堆栈不在内存，在寄存器。所以压入、弹出不需要访存，速度快，同时成本高。
-
软堆栈：不使用专门的硬件，而是在内存之中划分出一片区域来作为“堆栈”使用。
堆栈在内存，所以压入、弹出需要访存，速度慢，但是成本低。
实际一般用软堆栈更多。
堆栈可用函数调用时保存当前函数的相关信息。
5.汇编语言
高级语言与机器级代码之间的对应：
汇编语言和机器语言都是机器级代码，是一一对应的。
5.1考试要求（408）
- 只需关注x86汇编语言；若考察其他汇编语言题目会详细注释。
- 题目给出某段简单程序的c语言、汇编语言、机器语言表示。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）。
- 汇编语言、机器语言一一对应，要能结合汇编语言分析机器语言指令的格式、寻址方式。
不会考：将c语言人工翻译为汇编语言或机器语言。
x86汇编语言
mov为例子：
mov 要移动到的位置destination, 被移动的内容/位置source;
mov eax, ebx #寄存器→寄存器
mov eax, dword ptr [af996h] #主存→寄存器
mov eax, 5 #立即数→寄存器
#将ebx所指主存地址的32bit复制到eax寄存器中（寄存器间接寻址）
mov eax, dword ptr [ebx]
mov eax,[ebx] #若未指明主存读写长度，默认32 bit
#将eax的内容复制到af996h所指的地址
mov [af996h], eax #未指明长度默认32bit
#将eax的内容复制到ebx所指主存地址的32bit
mov dword ptr [ebx], eax
#将ebx所指的主存地址的8bit复制到eax
mov eax, byte ptr [ebx]
#将ebx+8所指主存地址的32bit 复制到eax寄存器中
mov eax, dword ptr [ebx+8]
#将af996-12所指主存地址的 32bit复制到eax寄存器中
mov eax, dword ptr [af996-12h]
5.2地址码
x86架构CPU，有哪些寄存器？
每个寄存器都是32bit，32bit = Extended = E。
都是E开头的，包含32bit数据。
-
通用寄存器 X
- EAX
- EBX
- ECX
- EDX
-
变址寄存器 I = index
变址寄存器可用于线性表、字符串的处理。
- ESI： source index（被移动的）
- EDI： destination index（要移动到的目的）
-
堆栈寄存器 P = pointer
用于函数调用。
- EBP： 堆栈基指针base pointer
- ESP： 堆栈顶指针stack pointer
- 通用寄存器还可以使用一半寄存器（低16位）
AX, BX, CX, DX：16bit
两个变址寄存器只能固定使用32bit；
两个堆栈寄存器只能固定使用32bit。
- 甚至还可以使用1/4=8bit：
AL, AH
BL, BH
总结
5.3操作码
操作码 地址码
操作码 d, s
#王道书中:
add <reg>/<mem>, <reg>/<mem>/<con>
#要注意，一般不建议同时访问两个主存：
add <mem>, <mem> # ×，访存太多是不可以的
- destination：目的地（d 目的操作数）
- source：来源地（s 源操作数）
目的操作数d不可以是常量，因为进行完操作之后还要把数据放到d的位置。
还有：
reg：寄存器registermem：内存memorycon：常数constant
5.3.1算术运算
| 功能 | 英文 | 汇编指令 | 注释 |
|---|---|---|---|
| 加 | add | add d, s | #计算d+s，结果存入d |
| 减 | subtract | sub d, s | #计算d-s，结果存入d |
| 乘 | multiply | mul d, s imul d, s | #无符号数d*s，乘积存入d #有符号数d*s，乘积存入d |
| 除 | divide | div s idiv s | #无符号数除法：edx:eax/s，商存入eax，余数存入edx #有符号数除法：edx:eax/s，商存入eax，余数存入edx |
| 取负数 | negative | neg d | #将d取负数，结果存入d |
| 自增 ++ | increase | inc d | #将d++，结果存入d |
| 自减 - - | decrease | dec d | #将d–，结果存入d |
【注意】除法（被除数/除数）用到了隐含寻址，s是除数，而被除数提前放到了edx和eax。
【注意！】add d, s在这里是(d)+(s)→(d)，
但是有的是写add s, d就是(d)+(s)→(d)。
5.3.2逻辑运算
| 功能 | 英文 | 汇编指令 | 注释 |
|---|---|---|---|
| 与 | and | and d, s | #将d、s逐位相与，结果放回d |
| 或 | or | or d, s | #将d、s 逐位相或，结果放回d |
| 非 | not | not d | #将d逐位取反，结果放回d |
| 异或 | exclusive or | xor d, s | #将d、s逐位异或，结果放回d |
| 左移 | shift left | shl d, s | #将d逻辑左移s位，结果放回d(通常s是常量) |
| 右移 | shift right | shr d, s | #将d逻辑右移s位，结果放回d(通常s是常量) |
5.3.3其他
- 用于实现分支结构、循环结构的指令：
cmp：比较。testjmp：直接跳转。jxxx：条件跳转。loop：封装循环。
- 用于实现函数调用的指令：
push：放入函数调用栈。pop：从函数调用栈出栈。call：函数调用。- ①将IP旧值压栈保存（保存在函数的栈帧顶部）；
- ②设置IP新值，无条件转移至被调用函数的第一条指令。
ret：函数返回。- 从函数的栈帧顶部找到IP旧值，将其出栈并恢复IP寄存器。
- 用于实现数据转移的指令：
mov
【注意】Intel x86处理器中，程序计数器PC ( Program Counter）通常被称为IP（Instruction Pointer）。
5.4循环分支
5.4.1 jmp直接跳转指令
jmp（jump）
jmp <address>
jmp 124
jmp eax
jmp [985]
#其中:
exa = 124
[985] = 124
这个地址可以是直接一个数字，也可以是寄存器或者主存
但是其实程序员其实是不知道指令在内存的位置，所以使用**NEXT:标号**来锚定位置。
（标号，有冒号就是，NEXT是名字，可以自己改）。
例如：
mov eax, 1
mov ebx, 2
jmp BIAOHAO
add ebx, 2
BIAOHAO:
add ebx, exa
5.4.2 jxxx条件跳转指令
先**比较cmp**两个数：
cmp本质上是进行a-b减法运算，并生成标志位OF、ZF、CF、SF，放入PSW程序状态字寄存器（Intel称其为“标志寄存器”）。
cmp d, s
然后紧跟跳转指令：
#jump when equal，若a==b则跳转
je <地址>
#jump when not equal，若a != b则跳转
jne <地址>
#jump when greater than，若a>b则跳转
jg <地址>
#jump when greater than or equal to，若a>=b则跳转
jge <地址>
#jump when less than，若a<b则跳转
jl <地址>
#jump when less than or equal to，若a<=b则跳转
jle <地址>
- e：等于equal
- n：不not
- g：大于greater
- l：小于less
例如：
cmp eax, ebx
je NEXT
分支C→汇编
那么就可以把c语言的代码翻译为汇编代码（机器级表示）
C：
int a=7;
int b=6;
if(a>b){
c=a;
}else{
c=b;
}
assembly：
mov eax,7 #假设变量a=7,存入eax
mov ebx,6 #假设变量b=6,存入ebx
cmp eax,ebx #比较变量a和b
jg NEXT #若a>b，转移到NEXT:
# 如果没有跳转，那么顺序执行，就是else
mov ecx ,ebx #假设用ecx存储变量c，令c=b
jmp END #无条件转移到END:
NEXT:
mov ecx ,eax #假设用ecx存储变量c,令c=a
END:
循环C→汇编
用条件转移指令实现循环，需要4个部分构成：
①循环前的初始化
②是否直接跳过循环?
③循环主体
④是否继续循环?
用loop指令实现循环
【注意】loop默认使用ECX作为循环计数器（只能是ECX）。
5.5函数调用
函数的栈帧（ Stack Frame）：保存函数大括号内定义的局部变量、保存函数调用相关的信息。
5.5.1函数调用栈在内存中的位置
地址码中的堆栈寄存器（P，pointer）用于函数调用。
- EBP： 堆栈基指针base pointer，指向栈的底部。
- ESP： 堆栈顶指针stack pointer ，指向栈的顶部（下面是“顶”，开口的）。
5.5.2两种方式访问栈帧数据
push、pop指令实现入栈、出栈操作，x86默认以4字节为单位。指令格式如：
5.5.3函数调用时，如何切换栈帧
在每一个函数前加上“例行处理”
push ebp #保存上一层函数的栈帧基址(ebp旧值)
mov ebp, esp #设置当前函数的栈帧基址(ebp新值)
#等价于：
enter #零地址指令，进入
在函数结束的时候，就移除函数栈，例行处理：
mov esp, ebp #让esp指向当前栈帧的底部
pop ebp #将esp所指元素出栈，写入寄存器ebp
#等价于：
leave
5.5.4一个栈帧内可能包含哪些内容?
一个函数栈：
0xFFFF FFFF
栈底
EBP
向上（栈底）是加
向下（栈顶）是减
ESP
栈顶
0x0000 0000
- 上一层栈帧基址：栈帧最底部一定是上一层栈帧基址（ebp旧值）。
- 返回地址：栈帧最顶部一定是返回地址（当前函数的栈帧除外）。
- 局部变量：保存在栈底，如果出现
[ebp-4]（最后一个定义的变量）或ebp-8这种，一般是局部变量。 - 调用参数：保存在栈顶，
[ebp+8]（第一个调用参数），ebp+12（第二个调用参数）…。
为什么是+8，因为+4保存了IP(PC)返回地址。这里的ebp不是上面的ebp，而是调用参数的ebp，属于上面函数的esp。 - 空闲：gcc编译器将每个栈帧大小设置为16B的整数倍（当前函数的栈帧除外），因此栈帧内可能出现空闲未使用的区域。
具体：
5.5.5如何传递参数和返回值
4.3_6_4_如何传递参数和返回值(函数调用的机器级表示)_哔哩哔哩_bilibili
相加之后，最终的结果存储在EAX，那么leave之后，caller函数只需要从EAX种就可以取到返回值。
总结
除了main函数，其他所有函数的汇编代码结构都一样！
5.6汇编格式
AT&T 格式：Unix、Linux的常用格式。
intel 格式：Windows的常用格式。（408常考，也是我们这里讲的）
6.CISC和RISC
CISC： 复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer
设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能。
一条指令可以由一个专门的电路完成。有简单的指令，有复杂的指令。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。
代表：x86架构，主要用笔记本、台式机等。
80-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令。所以指令集不需要太过于复杂，所以有RISC。
RISC： 精简指令集计算机，Reduced lnstruction 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。
一条指令一个电路，电路设计相对简单，功耗更低
代表：ARM架构，主要用于手机、平板等。
- 对比：
| CISC | RISC | |
|---|---|---|
| 指令系统 | 复杂、庞大 | 简单、精简 |
| 指令数目 | 一般大于200条 | 一般小于100条 |
| 指令字长 | 不固定 | 定长 |
| 可访问指令 | 不加限制 | 只有load/store指令 |
| 各种指令执行时间 | 相差较大 | 绝大多数在一个周期完成 |
| 各种指令使用频率 | 相差很大 | 都比较常用 |
| 通用寄存器数量 | 较少 | 多 |
| 目标代码 | 难以用优化编译生成高效的目标代码程序 | 采用优化的编译程序，生成代码较为高效 |
| 控制方式 | 绝大多数为微程序控制（效率低） | 绝大多数为组合逻辑控制（效率高） |
| 指令流水线 | 可以通过一定方式实现 | 必须实现 |
7.总结
- 指令格式：如何用二进制代码表示指令
- 指令寻址方式：
- 给出下一条指令的地址
- 给出要操作的对象的地址
- CISC和RISC：两种设计方向