计算机组成原理 第六章（指令系统）—第二节（操作数类型和操作类型）

写在前面：

1. 本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。

2. 视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、操作数类型

1、地址

        地址实际上也可看作是一种数据，在许多情况下要计算操作数的地址，这时地址可被认为是一个无符号的整数。

2、数字

        计算机中常见的数字有定点数、浮点数和十进制数。

3、字符

        在应用计算机时，文本或者字符串也是一种常见的数据类型。由于计算机在处理信息过程中不能以简单的字符形式存储和传送，因此普遍采用ASCII码。当然，还有其它一些字符编码，如8位EBCDIC码，又称扩展BCD交换码。

4、逻辑数据

        计算机除了做算术运算外，有时还需做逻辑运算，此时n个0和1的组合不是被看作算术数字，而是被看作逻辑数。例如，在ASCII码中的0110101，它表示十进制数5，若要将它转换为NB-CD短十进制码，只需通过它与逻辑数0001111完成逻辑与运算，抽取低4位，即可获得0101。此外，有时希望存储一个布尔类型的数据，它们的每一位都代表着真（1）和假（0），这时n个0和1组合的数就都被看作逻辑数。

二、数据在存储器中的存放方式

1、机器字长

        通常计算机中的数据存放在存储器或寄存器中，而寄存器的位数便可反映机器字长。一般机器字长可取字节的1、2、4、8倍，这样便于字符处理。在大、中型机器中字长为32位和64位，在微型计算机中字长从4位、8位逐渐发展到目前的16位、32位和64位。

2、边界对齐

（1）为了便于硬件实现，通常要求多字节的数据在存储器的存放方式能满足“边界对准”的要求。下图所示的存储器存储字长为32位，可按字节、半字、字，双字访问，半字地址是2的整数倍，字地址是4的整数倍，双字地址是8的整数倍，当所存数据不能满足此要求时，可填充一个至多个空白字节，这么做的目的是为了便于访存，只是浪费了一些空间。

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（2）在数据不对准边界的计算机中，数据（例如一个字）可能在两个存储单元中，此时需要访问两次存储器，并对高低字节的位置进行调整后才能取得一个字，很显然，这种存储方式虽然充分利用了存储空间，但是却增加了不少的访存时间，而且读写控制也很复杂。

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3、大端和小端存储模式

（1）大端（存储）模式是指数据的低位保存在字的高地址中，而数据的高位保存在字的低地址中，也就是高位字节地址为字地址。（如下左图所示）

（2）小端（存储）模式是指数据的低位保存在字的低地址中，而数据的高位保存在字的高地址中，也就是低位字节地址为字地址。（如下右图所示）

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三、操作类型

1、数据传送

        数据传送包括数据在寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间的传送。如从源到目的之间的传送、对存储器读（LOAD，把存储器中的数据放到寄存器中）和写（STORE，把寄存器中的数据放到存储器中）、交换源和目的的内容、置1、清零、进栈、出栈等。

2、算术逻辑操作

        这类操作可实现算术运算（加、减、乘、除、增1、减1、取负数即求补）和逻辑运算（与、或、非、异或）。

        对于低档机而言，一般算术运算只支持最基本的二进制加减、比较、求补等，高档机还能支持浮点运算和十进制运算。有些机器还具有位操作功能，如位测试（测试指定位的值）、位清除（清除指定位）、位求反（对指定位求反）等。

3、移位

        移位可分为算术移位、逻辑移位和循环移位三种。

        算术移位和逻辑移位分别可实现对有符号数和无符号数乘以（左移）或整除以（右移）的运算，并且移位操作所需时间远比乘除操作执行时间短，因此，移位操作经常被用来代替简单的乘法和除法运算。

        循环移位又分带进位和不带进位两种。

4、转移

（1）在多数情况下，计算机是按顺序执行程序的每条指令的，但有时需要改变这种顺序，此刻可采用转移类指令来完成.

（2）转移指令按其转移特征又可分为无条件转移、条件转移、跳转、过程调用与返回、陷阱（Trap）等几种。

①无条件转移：

        无条件转移不受任何条件约束，可直接把程序转移到下一条需执行指令的地址。例如“JMP X”，其功能是将指令地址无条件转至X。

②条件转移：

        条件转移是根据当前指令的执行结果来决定是否需要转移，若条件满足则转移，若条件不满足则继续按顺序执行。

        一般机器都能提供一些条件码，这些条件码是某些操作的结果，例如零标志位（Z）、负标志位（N、溢出标志位（V）、进位标志位（C）、奇偶标志位（P）等。

        还有一种条件指令——SKP（Skip），它暗示其下一条指令将被跳过，从而隐含了转移地址是SKP后的第二条指令。

③调用与返回：

        在编写程序时，有些具有特定功能的程序段会被反复使用，为避免重复编写，可将这些程序段设定为独立子程序，当需要执行某子程序时，只需用子程序调用指令即可。此外，计算机系统还提供了通用子程序，如申请资源、读写文件、控制外设等，需要时均可由用户直接调用，不必重新编写。

        通常调用指令包括过程调用、系统调用和子程序调用，它可实现从一个程序转移到另一个程序的操作。

        调用指令（CALL）一般与返回指令（RETURN）配合使用，CALL用于从当前的程序位置转至子程序的入口，RETURN用于子程序执行完后重新返回到原程序的断点。如下图所示，主程序从2000地址单元开始，并在2100处有一个调用指令，当执行到 2100处指令时，CPU停止下一条顺序号为2101的指令，而转至2400执行SUB1子程序，在SUB1中又有两次（2500和2560处）调用子程序SUB2，每一次都将 SUB1挂起而执行SUB2，子程序末尾的RETURN 指令可使CPU返回调用点。

        从上例来看，子程序可以在多处被调用，而且子程序调用可出现在子程序中，即允许子程序嵌套。由于可以在许多处调用子程序，因此CPU必须记住返回地址，使子程序能准确返回，返回地址可存放在以下3处：

        [1]寄存器内。机器内设有专用寄存器专门用于存放返回地址。

        [2]子程序的入口地址内。

        [3]栈顶内。现代计算机都设有堆栈，执行RETURN指令后便可自动从栈顶内取出应返回的地址。

④陷阱（Trap）与陷阱指令：

        陷阱其实是一种意外事故的中断，例如机器在运行中可能会出现电源电压不稳定、存储器校验出差错、输入输出设备出现了故障、用户使用未被定义的指令、除数出现为0、运算结果溢出以及特权指令等种种意外事件，致使计算机不能正常工作，此刻必须及时采取措施，否则将影响整个系统的正常运行。因此，一旦出现意外故障，计算机就发出陷阱信号，暂停当前程序的执行，转入故障处理程序进行相应的故障处理。

        计算机的陷阱指令一般不提供给用户直接使用，而作为隐指令（即指令系统中不提供的指令），在出现意外故障时由CPU自动产生并执行。也有的机器设置供用户使用的陷阱指令或“访管”指令，利用它完成系统调用和程序请求。

5、输入输出

        对于I/O单独编址的计算机而言，通常设有输入输出指令，它完成从外设中的寄存器读入一个数据到CPU的寄存器内，或将数据从CPU的寄存器输出至某外设的寄存器中。

输入：IN AX， n    端口中的内容→CPU中的寄存器

输出：OUT n， AL   CPU中的寄存器→端口中的内容

6、其它

        其它包括等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、置条件码指令等。为了适应计算机的信息管理、数据处理及办公自动化等领域的应用，有的计算机还设有非数值处理指令，如字符串传送、字符串比较、字符串查询及字符串转换等。

        在多用户、多任务的计算机系统中，还设有特权指令，这类指令只能用于操作系统或其他系统软件，用户是不能使用的。

        在有些大型或巨型机中，还设有向量指令，可对整个向量或矩阵进行求和、求积运算。在多处理器系统中还配有专门的多处理机指令。