4.6 典型指令

4.6 典型指令

引言

在现代计算机系统中，指令系统的设计直接影响到机器的性能和功能的发挥。每种计算机都有其特定的指令集架构，这些架构决定了计算机处理数据和执行程序的方式。本文将探讨一个典型的指令系统，包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令和输入输出指令等几大类。

1. 数据传送指令

数据传送指令是最基本的操作之一，主要用于寄存器与主存之间，或寄存器与寄存器之间的数据传输。典型的数据传送指令包括：

• 取数指令：从主存取数据到寄存器。
• 存数指令：将寄存器中的数据存储回主存。
• 传送指令：寄存器间的直接数据传送。
• 成组传送指令：同时传送一组数据，常用于高效数据处理。
• 字节交换指令：在寄存器内部交换字节位置。
• 清累加器指令：将累加器内容清零，常用于初始化和错误恢复。

2. 算术运算指令

算术运算指令支持基础和复杂的数学计算，包括：

• 定点和浮点运算指令：执行加、减、乘、除等基本算术操作。
• 求反和求补指令：用于生成操作数的反值或补数。
• 算术移位指令：根据需要将数值左移或右移，用于快速乘除操作。
• 算术比较指令：比较两个操作数的大小。
• 向量运算指令：在某些高性能计算机中，用于处理向量和矩阵运算。

3. 逻辑运算指令

逻辑运算指令处理非数值逻辑关系，主要包括：

• 逻辑加、乘：进行逻辑AND和OR操作。
• 按位加：单独处理每一位的逻辑加。
• 逻辑移位：逻辑数的左移或右移，不同于算术移位，移位过程中不考虑符号位。

4. 程序控制指令

控制程序的执行流程是程序控制指令的核心功能，这包括：

• 条件转移指令：根据不同的程序状态（如溢出、零标志）改变程序的执行路径。
• 无条件转移指令：无视当前状态，直接跳转到指定位置执行。
• 子程序调用指令：调用子程序，并在执行完后返回。
• 中断返回指令：处理完中断后返回到主程序。

程序控制指令使用直接寻址或相对寻址方式来定位转移地址，这使得程序能够灵活应对各种运行时情况。

结语

通过深入了解和掌握各类典型指令，程序员和系统设计师可以更好地优化软硬件交互，提升系统性能。每种指令在实际应用中都扮演着关键角色，理解它们的工作原理是每个计算机科学专业人士的基础技能。

5. 输入输出指令

输入输出指令（I/O指令）是计算机指令系统中至关重要的一部分，它们负责管理与外围设备的通信。这类指令使得 CPU 能够启动和监控外围设备，如打印机、磁盘驱动器和网络接口等，并在设备和计算机之间传输数据。

在某些系统中，输入输出操作不依赖专用的 I/O 指令，而是通过内存映射 I/O 来完成。在这种架构下，外围设备的控制寄存器被映射到主内存地址空间，CPU 可以使用普通的数据传送指令来读写这些设备，这简化了指令集但可能增加了编程的复杂性。

6. 堆栈操作指令

堆栈操作是现代计算机程序设计中的一个基本概念，用于实现数据的临时存储和恢复。堆栈操作指令主要包括：

• 进栈指令：将数据压入堆栈顶部，并更新堆栈指针向下移动。
• 出栈指令：从堆栈顶部移除数据，同时将堆栈指针向上移动以指向新的栈顶。

这些指令在处理函数调用和返回、中断处理以及表达式评估时尤为重要，因为它们提供了一种有效的方法来临时存储和恢复数据或地址。

7. 字符串处理指令

字符串处理指令专门用于处理文本数据，这在用户界面、文件处理和网络通信等许多应用中非常重要。这些指令的功能包括：

• 字符串传送：复制字符串从一个内存位置到另一个。
• 字符串转换：改变字符串的编码方式。
• 字符串比较：判断两个字符串是否相等或者它们的字典顺序。
• 字符串查找：搜索特定子串在更大字符串中的位置。
• 字符串提取：从一个字符串中提取子串。
• 字符串替换：用一组字符替换字符串中的某部分。

8. 特权指令

特权指令是限制使用的指令，只能由操作系统核心和其他系统级软件执行。这些指令控制着操作系统的核心功能，如进程管理、内存管理和硬件控制。使用特权指令可以：

• 修改控制寄存器：设置或修改 CPU 的操作模式。
• 访问保护内存：修改页表或段表，实现虚拟内存管理。
• 管理任务：创建、切换和终止进程或线程。

因为这些指令可以直接访问和控制硬件资源，错误使用可能会导致系统崩溃或安全问题。

9. 其他指令

除了上述类别，还有许多专门用途的指令，如：

• 状态寄存器操作指令：设置或清除状态寄存器中的特定位。
• 测试指令：执行硬件自检和性能评估。
• 停机指令：关闭或重启计算机系统。

这些指令为程序员提供了更广泛的控制能力，使他们能够精确地管理和优化硬件和软件的交互。

通过深入了解和正确使用这些指令，开发人员可以更好地设计和实现高效、可靠的系统软件，确保计算机系统的最优性能和稳定性。

二、基本指令系统

复杂指令集计算机（CISC）以其庞大的指令系统而闻名，通常包含数百种不同的指令，以及多种寻址方式来满足不同的处理需求。以VAX 11/780计算机为例，其拥有303种指令和18种寻址方式。然而，通过对CISC机的测试分析发现，在实际应用中，最频繁使用的仅是那20%最基础的指令，这些指令的使用频率占到了总数的80%。为了教学和实际应用的便捷，接下来将介绍一个简化的基本指令系统——表4.6。

指令	符号代码	八进制码	操作说明
取数	LDA-D	xxxx	(M)→A
存数	STA·D	2xxxx	(A)→M
加法	ADD·D	.03xxx	A+(M)→A
减法	SUB·D	4xxxx	A-(M)→A
逻辑乘	AND·D	05xxx	(A)∧(M)→A
逻辑加	ORA·D	.06xxx	(A)∨(M)→A
按位加	EOR·D	07xxx	(A)⊕(M)→A
比较	CMP·D	10xxx	(A)-(M)
内存修改	ISZ+D	11xxx	(M)+1→M 结果为0转移
无条件转移	JMP·D	14xxx	无条件转移至M单元
进位转	BCS·D	15xxx	C=1, 转移至M单元
零转	BEQ·D	16xxx	Z=1, 转移至M单元
负转	BMI·D	17xxx	N=1, 转移至M单元
溢出置转	BVS·D	20xxx	V=1, 转移至M单元
进栈	STS	120000	(A)→Msp, (SP)-1→SP
退栈	1.DS	130000	(SP)+1→SP, (M₂)→A
加1	INC	210000	(A)+1→A
求反	COM	220000	�‾A→A
联补	NEG	230000	0-(A)→A
减1	DEC	240000	(A)-1→A
清零	CLA	250000	0→A
循环左移	ROL	260000	C→[A→C]
循环右移	ROR	270000	C←[A←C]
算术左移	ASL	300000	[C→A←0]
算术右移	ASR	310000	[0→A←C]
逻辑右移	LSR	320000	0→[A←C]
测试 I/O	IOT	330000	完成标志D=1时，指令暂停
测试	TST	340000	A→CCR
累加器→CCR	TAP	350000	(A)→CCR
CCR→累加器	TPA	360000	(CCR)→A
清中断禁止	CLI	370000	0→I (中断禁止标志)
置中断禁止	SEI	400000	1→I
暂停	HLT	000000	停止操作

在这个基础指令系统中，我们设定了多种基本的操作指令，它们几乎在所有计算机的指令集中都能找到对应。该系统包含数据的取出与存储、算术运算、逻辑运算、控制转移、栈操作和其他基本操作。由于大部分指令操作都涉及累加寄存器A，我们采用了隐含寻址的方式。在多累加器结构的CPU中，通过对累加器进行编址，可以轻松适配这一指令系统。

表4.6 基本指令系统

在这一指令系统中，指令的助记符通常使用前三个字母表示，例如“LDA”代表从主存取数到累加器，“ADD”代表加法操作，“SUB”代表减法操作等。符号“·”的灵活使用代表不同的寻址方式或控制方式，而最后一个字母“D”则表示形式地址。

八进制码的前两位数字代表指令的操作码，第三位的“×”与符号代码中的“·”对应，表示一位八进制数。后三位“×××”表示与形式地址D对应的三位八进制数。

为了简化模型，本文中的指令系统除了使用隐含寻址，还采用了直接寻址和间接寻址方式。直接寻址中，地址直接表示操作数的有效地址；而在间接寻址中，使用字母“I”作为间接标志，地址则表示一个指向操作数有效地址的指针。

操作说明栏中的字母“M”代表经过寻址方式转换后获得的有效地址，“A”表示累加寄存器，而“(M)”则表示内存单元M中的内容，“(A)”表示累加器中的内容。箭头“→”表示数据传输的方向。C、Z、N、V分别代表状态条件码寄存器（CCR）中的进位、零、负、溢出标志，这些标志触发器用于记录操作结果，以便于根据不同的状态进行程序流程的条件转移。特别地，堆栈操作指令会涉及到堆栈指示器SP的使用。

通过对基本指令系统的理解，我们可以认识到，无论是在教学还是在实际编程中，掌握这些基础指令对于充分发挥计算机功能至关重要。它们构成了程序设计的基础，也是提高编程效率和性能的关键。

三、精简指令系统

精简指令集计算机（RISC）以其高效简洁的特点在计算机架构中占有重要地位。RISC架构的三大特征包括：(1)选择了使用频率最高的简单指令；(2)指令长度固定，格式和寻址方式种类较少；(3)仅取数和存数指令直接操作存储器，其他指令操作均在寄存器间进行。

作为例证，我们以SPARC机为例。它是一个32位计算机，拥有89条指令，并分为六种类型：

1. 算术运算/逻辑运算/移位指令：这些是最基本的操作指令，处理数学和逻辑操作。
2. 取数(LOAD)/存数(STORE)指令：实现存储器与寄存器间的数据传输。
3. 控制转移指令：改变程序执行流程的指令。
4. 读/写专用寄存器指令：操作控制程序状态的专用寄存器。
5. 浮点运算指令：用于执行浮点数计算。
6. 协处理器指令：由协处理器执行的专门指令。

SPARC拥有三种基本的指令格式，每种格式对应不同类型的操作和指令。

指令类型和指令格式

指令的设计旨在最大限度地提高执行效率，指令格式简洁，便于快速译码和执行。以下是SPARC机的指令格式摘要：

• 格式1：调用指令，用于函数调用。
• 格式2：包括分支和SETHI指令，用于程序控制和寄存器设置。
• 格式3：包含大部分的算术、逻辑操作指令和寄存器间数据传输。

指令功能与寻址方式

1. 算术逻辑运算指令：执行基本的算术和逻辑操作，并将结果存储回寄存器。
2. 取数/存数指令：根据寄存器中的地址和偏移量从存储器中取数据或者存数据到存储器。
3. 控制转移类指令：根据条件判断是否改变程序的执行流程。
4. 读/写专用寄存器指令：对影响CPU状态的专用寄存器进行读写操作。

某些指令的替代实现

在SPARC中，并非所有可能的操作都有一条对应的指令。许多操作可以通过使用已有指令的特定组合来实现。例如，虽然没有直接的“MOVE”指令，但可以使用“ADD”指令（加法）来实现寄存器间的数据传输。这些替代方法反映了RISC架构的一个关键理念：通过一组精简的、高频使用的指令来实现各种复杂操作，提高处理器性能。

表4.8 某些指令的替代实现

指令	功能	替代指令	替代方法
MOVE	寄存器间传送数	ADD(加法)	R₀+Rx→Rx
INC	寄存器内容加1	ADD(加法)	立即数imm13=1,作为操作数
DEC	寄存器内容减1	SUB(减法)	立即数imm13=-1,作为操作数
NEG	取负值	SUB(减法)	R₀-Rx→Rx
NOT	取反码	XOR(异或)	立即数imm13=-1,作为操作数
CLR	清除寄存器	ADD(加法)	R₀+R₀→Rx

在表中，R₀是一个固定值为0的寄存器，这样设计使得通过使用ADD和SUB指令可以轻松地实现数据移动、递增、递减、取反和清零操作。这种替代策略的存在显著降低了指令集的复杂性，同时提高了指令执行的效率。

RISC体系结构的优点在于其能够通过一系列简单的指令快速地执行复杂的操作序列，这使得RISC架构特别适用于需要高效处理能力的现代计算应用。