lec13-指令系统

标签：操作数 指令系统 lec13 操作码 地址 指令 寄存器 寻址

lec13-指令系统

1. overview

2. 指令表示

2.1. 指令的要素

• 操作码：指定将要完成的操作（opcode）
• 源操作数引用：操作可能涉及一个或者多个源操作数，这是操作的输入
• 结果操作数引用
• 下一条指令引用：告诉处理器下一个指令要去哪里取出

2.2. 指令表示

指令格式：二进制串划分成几个字段，包括操作码，操作数；

• 大多数的指令集使用了不止一种指令格式
  这带来一个问题：是否存在两种解读方式？
  • 解决方法：避免二义性，使得只有一种有意义的解读

2.3. 操作码

• 不同的计算机上的操作码的数目变动比较大
• 所有计算机上都会存在相同的常用操作类型
  • 数据传送（load, store…）
  • 算术运算(add, sub…)
  • 逻辑运算(and, or…)
  • 转换( ? )
  • 输入/输出(in, out)
  • 系统控制(ecall, ebreak…)
  • 控制转移(jal, branch…)

2.3.1. 数据传送

下面是数据传送指令应该包含的信息（或者说不同的数据传送指令之间的不同点）

• 指明源操作数和目标操作数的位置
• 指明将要传送的数据长度
• 指明每个操作数的寻址方式

2.3.2. 算术运算

• 一条算术运算的执行会涉及到数据传送操作：需要准备输入，并传送输出
  • 可以说，计算得到的结果只有存放到一个地方才是有意义的

2.3.3. 逻辑运算

• 位操作（and, or, not, x-or… ）
• 移位和旋转(shift, rotate…)
• compare, set…

2.3.4. 输入/输出

• 各种输入/输出方法仅有少数输入/输出指令实现，具体操作由参数、代码或者命令字指定

2.3.5. 控制转移

• • 分支指令
  • 跳步指令（JMP？）
  • 过程调用指令

• 实际上，分支/跳转指令，将要执行的下一条指令的地址作为它的操作数之一；

• 跳步指令：包含一个隐含地址，这个隐含地址等于下一指令地址加上该指令长度之和

• 过程调用指令：

  • 涉及到从目前的位置转移到某个过程的调用指令，以及由过程返回到调用发生位置的返回指令
  • 一些方法，当然为了满足递归调用等情景，最终是栈调用

    1. 使用寄存器
       

    2. 存储在过程开始处
       

    3. 使用栈来保存（现场）
       

2.4. 操作数

• 常见类型：
  • 地址
  • 数值
  • 字符
  • 逻辑数据

2.4.1. 地址

• 一个指令会需要若干个地址引用（可能是显式的，也可能是隐式的）
  • 一般是2个源操作数，1个目的操作数，下一指令地址
• 指令中的地址数量与指令条数之间：
  • 每条指令中的地址数量越少
    • 指令的长度越短，不需要复杂的CPU（因为可变部分变少，不需要复杂的硬件设计）
    • 程序的总的指令条数更多，执行时间更长
  • 一些运算，可以使用通用寄存器； 但是有些计算只使用特定的寄存器进行完成
• ADD Y A B
  ADD Y B
  ADD B
  ADD 0

2.4.2. 数值

• 计算集存储的数据是受限制的
• k k k 位数长度的二进制编码，最多可以表示 2 k 2^k 2k不同的数字，这是一定的

2.4.3. 字符

• IRA 国际参考字母表 / ASCII 美国信息交换标准码，每个字符被表示成唯一的7位二进制串
• EBCDIC，扩展的二进制编码的十进制交换码：8位编码
• 统一码（Unicode）：16/32位

2.4.4. 逻辑数据

• 1为 true， 0为 false
  

2.4.5. 大端序 小端序

• 人类的习惯来说，类似于大端序，按顺序读取数据的过程也是数据从小地址到大地址，也是数据组织的顺序

2.5. 操作数引用

• 操作数的实际值
• 操作数的地址，可能存放在
  • 寄存器
  • 主存/虚拟内存
  • …

有多种的寻址方式

2.5.1. 一些记号

• A：指令中地址字段的内容
• R：指向寄存器的指令地址字段内容
• EA：被访问位置的实际（有效）地址
• （X）：存储器位置 X 或者 寄存器 X 的内容（类似与解引用的效果）

2.5.2. 立即寻址（可以记为立即数寻址）

• 算法：操作数 = A
• 优点：不要求额外的存储器访问
• 缺点：数的大小收到地址字段的长度限制

2.5.3. 直接寻址

• 算法：EA = A
• 优点：只需要一次存储器访问
• 缺点：有限的地址空间（因为地址收到A长度的限制）

2.5.4. 间接寻址

• 算法：EA = （A）
• 优点：扩大了地址空间
• 缺点：取操作数需要2次的访问存储器

2.5.5. 寄存器寻址

• 算法：EA = R， 也就是 操作数 = （R）
• 优点：指令中只需要一个很小的地址字段，而且不需要存储器访问
• 缺点：地址空间很有限

2.5.6. 寄存器间接寻址

• 算法：EA = （R）
• 优点：扩大了地址空间，比间接寻址少了1次存储器访问
• 缺点：相对于寄存器寻址，多了一次存储器寻址

2.5.7. 偏移寻址

• 包括了：
  相对寻址，基址寄存器寻址，变址

• 整体算法：EA = （R） + A

• 偏移寻址本身要求：指令有两个地址字段，至少其中一个是显式的

1. 相对寻址：
   • 隐含的寄存器是程序计数器（PC）
   • 算法：EA = （PC） + A
   • 优点：利用了程序局部性原理，节省指令中地址的位数
2. 基址寄存器寻址：
   • 方式：被引用的寄存器含有一个地址（也就是基址）
   • 算法：EA = （B） + A
   • 用法：虚拟内存空间中的程序重定位
3. 变址寻址：
   • 方式：指令地址字段存下的是存储器地址，寄存器含有一个偏移量
   • 算法：EA = A + （R）
   • 用法：为完成重复操作，提供一种高效机制（循环操作等等）
   • 

2.5.8. 栈寻址

• 方式：栈指针保存在寄存器中，对寄存器中栈位置的访问实际上也是一种寄存器间接寻址方式

2.5.9. 栈

• 栈的操作：push, pop, 一元操作，二元操作
• 栈的应用：后缀表达式，容易完成运算

3. 指令格式

3.1. 指令格式的设计原则

• 指令尽量短
  • 减少程序占用空间
• 有足够的操作码位数
  • 为了操作类型增加预留位数
• 操作码的编码要有唯一的解释方法
• 指令长度是字节的整数倍
  • 方便取指令等等
• 合理选择地址字段的个数
  • 涉及到指令长度和规整性，是空间和时间开销权衡的结果
• 指令尽量规整
  • 这样可以简化硬件的实现（布线可以简单化）

3.2.1. 指令长度

• 权衡：发生在强有力的指令清单和节省空间之间进行
  • 编程人员希望：更多的操作码（多种操作），更多的操作数，更多的寻址方式，更大的地址范围
  • 指令长度变短：有利于节省存储空间，减少数据传送时间
• 指令长度应该是等于存储器的传送长度（数据总线宽度），或者是整数倍

3.2.2. 位分配给字段

• 对于给定的指令长度，在操作码数目和寻址能力之间存在着权衡考虑
• 使用变长的操作码：
  • 有一个最小操作码长度，对于某些操作码就可以获得更多的位数（RISC v32中就有体现）
• 使用寻址位的考虑因素：

3.3.3. 变长指令

• 提供不同长度的各种指令格式
• 优点
  • 可以提供大的操作码清单，操作码具有不同的长度
  • 寻址方式更加灵活*（？）*
• 缺点：
  • 硬件非常复杂

3.3.4. 指令集设计

• 指令集是软件和硬件的中间地带
  • 指令集定义了处理器应该实现的功能（对硬件影响大）
  • 指令集给出程序员操作处理器的方式（对软件的影响）
• 设计的一些原则
  • 完整性
  • 兼容性
  • 均匀性
  • 可以扩展性
• 设计的基本问题

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