第四章：指令系统

1、指令格式

指令的基本格式

一条指令构成：操作码、地址码
	地址码个数：0~4
按地址码个数分类———零/一/二/三/四地址指令
按指令长度分类
	定长指令字结构
	变长指令字结构
按操作码长度分类
	定长操作码
	可变长操作码
按操作类型分类
	数据传送类——寄存器之间、CPU 与主存之间的数据传送，如：mov、load、store等
	运算类——算术逻辑操作、移位操作
	程序控制类——改变程序执行流，如：jmp、branch、call、ret、trap等
	输入输出类——CPU、IO设备之间的数据传送

扩展操作码指令格式

定长指令字结构 + 可变长操作码 -> 扩展操作码指令格式
设地址长度为 n，上一层留出 m 种状态，下一层可扩展出 m × 2^n 种状态
🚩 设计扩展操作码指令格式
	1、不允许短码是长码的前缀
	2、各指令的操作码一定不能重复

2、指令的寻址方式

指令寻址

什么是指令寻址？
	确定下一条要执行的指令的存放地址
	由程序计数器 PC 指明
顺序寻址
	（PC）+ “1” -> PC
	此处的 “1” 要理解为 1 个指令字长
	每次取指令结束后，一定会（PC）+ “1” 
跳跃寻址
	执行转移类指令导致的 PC 值改变

🚩 数据寻址

寻址方式	有效地址	访存次数（指令执行期间）
直接寻址	EA=A	1
一次间接寻址	EA=(A)	2
寄存器寻址	EA=Ri	0
寄存器间接一次寻址	EA=(Ri)	1
隐含寻址	程序指定	0
立即寻址	A即是操作数	0
基址寻址	EA=(BR)+A	1
变址寻址	EA=A+(IX)	1
相对寻址	EA=(PC)+A	1
堆栈寻址	入栈/出栈时EA的确定方式不同	硬堆栈不访存，软堆栈访存1次

基址寻址、变址寻址、相对寻址属于 "偏移寻址"
	基址寻址用于多道程序
	变址寻址用于循环程序、数组问题
	相对寻址用于转移指令
💡 取出指令后，PC 会指向下一条指令，相对寻址是相对于下一条指令的偏移

3、程序的机器级代码表示

高级语言与机器级代码之间的对应

考试要求：
	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

x86汇编语言指令基础：
	操作码——常见指令：
		算术运算
			add d, s
			sub d, s
			mul d, s （无符号乘法）
			imul d, s （有符号乘法）
			div s （无符号除法，被除数在 edx:eax 中）
			idiv s （有符号除法，被除数在 edx:eax 中）
			neg d
			inc d
			dec d
		逻辑运算
			add d, s
			or d, s
			not d
			xor d, s
			shl d, s （将 d 逻辑左移 s 位）
			shr d, s （将 d 逻辑右移 s 位）
		其他
			实现分支结构、循环结构的指令：cmp、test、jmp、jxxx
			用于函数调用的指令：push、pop、call、ret
			使用实现数据转移的指令：mov
			
	地址码——数据存放位置
		寄存器（32 bit）
			在汇编指令中，给出寄存器名
			寄存器种类：
				通用寄存器（EAX、EBX、ECX、EDX）
				变址寄存器（ESI、EDI）
				堆栈寄存器（EBP、ESP）
			AX、BX、CX、DX 表示 EAX、EBX、ECX、EDX 的低 16 位
			AX（BX、CX、DX 同理）可以拆为 AH 和 AL，各占 8 bit
			两个变址寄存器和两个堆栈寄存器只能固定使用 32 bit
		主存——指明读写长度：
			dword ptr [地址] —— 双字，32 bit
			word ptr [地址] —— 单字，16 bit
			byte ptr [地址] —— 字节，8 bit
			若未指明读写长度，则默认 32 bit
		指令
			直接给出常量，可以用十进制表示，也可以用十六进制表示（常以 h 结尾）

汇编指令格式的对比：AT&T 格式 v.s. Intel 格式

	AT&T 格式	Intel 格式
指令	只能用小写格式	对大小写不敏感
d，s	左，右	右，左
寄存器表示	%
立即数表示	$
读写长度表示	movb-byte、movw-word、movl-dword	dword ptr [地址]、word ptr [地址]、byte ptr [地址] —— 字节，8 bit
主存地址表示	(地址)	[地址]
主存地址偏移量表示	偏移量(基址)、偏移量（基址，变址，比例因子）	[基址+偏移量] 、[基址+变址×比例因子+偏移量]

选择语句机器级表示

程序计数器 PC（Program Counter）通常被称为 IP（Instruction Pointer）

无条件转移指令——jmp
	jmp 128
	jmp eax
	jmp [999]
	jmp NEXT
	
条件转移指令——jxxx
	条件转移指令一般要和 cmp 指令一起使用
	je [地址] （ZF==1？）
	jne [地址] （ZF==0？）
	jg [地址] （ZF==0 && SF==OF？）
	jge [地址] （SF==OF？）
	jl [地址] （SF!=OF？）
	jle [地址] （SF!=OF？|| ZF==1？）

循环语句机器级表示

实现方式：
	用条件转移指令实现循环
		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
	用 loop 指令实现循环
		使代码更清晰简洁
		用 ecx 作为循环计数器

4、指令系统 CISC 和 DISC

CISC：Complex Instruction Set Computer
	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
DISC：Reduced Instruction Set Computer
	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

	CISC	DISC
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
可访存指令	不加限制	只有 Load / Store 指令
各种指令执行的时间	相差较大	绝大多数在一个周期内完成
各种指令使用频度	相差较大	都比较常用
通用寄存器数量	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，生成的代码较为高效
控制方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为组合逻辑控制
指令流水线	可以通过一定方式实现	必须实现

📕 积累

1、指令系统位于硬件和软件的交界面上
2、采用扩展操作码设计方案的目的是：保持指令字长度不变而增加指令的数量