Ch2

Summary

指令及指令序列

• 汇编语言表示法
• RISC 指令集
• 指令执行
  • Straight-Line Sequencing and Branching

指令格式

• 指令表示方式
• 常见指令地址子段格式
  • 零、一、二、三地址指令
• Opcode Format (Expanding Opcode) 操作码格式（扩展操作码）

寻址方式（Addressing Modes）

• The different ways in which the location of an operand is specified in an instruction. 在指令中决定操作数位置的不同方式。
• 典型的有 RISC 的寻址方式

堆栈处理和子程序

CISC 指令集

• 自动递增，自动递减，相关模式
• 条件编码

CISC 和 RISC 指令集的比较

指令和指令序列

四种类型的指令：

• 数据在存储器和控制器的寄存器中传递
• ALU 中对数据的算术和逻辑操作
• I/O 设备传递
• 程序序列和控制

寄存器传递表示法（Register Transfer Notation）

用于描述硬件层面数据的传递和操作。

首先介绍相关的表示法：

• 控制器寄存器：R0，R5。
• I/O 寄存器：DATAIN，OUTSTATUS。
• 存储器地址：LOC, PLACE, A, VAR2。
• [...]：用于表示存储在地址中的数据
• $ $用于表示传递数据到指定地址。

一般来说：右边的表达式表示的是一个值，左边表示一个地址。

Example1: R2 <-[LOC]
//表示将LOC存储单元中的数据存储到R2寄存器中

Example2: R4 <- [R2] + [R3]
//表示将R2和R3的内容进行相加，结果放到R4中。

汇编语言表示法（Assembly-Language Notation）

寄存器指令表示法：表示数据传递和算术运算

而汇编语言表示法用于表示机器指令和程序，对应上面的两个例子：

Load R2, LOC
Add R4, R2, R3

一条汇编指令包含需要的操作数和操作。

实际上商业处理器一般使用助记符，并且不同处理器之间的助记符也是不同的。

RISC 和 CISC 指令集

指令的本质使得计算机不同。

有两种基础的方法来为现代计算机设计指令：RISC，CISC

RISC:

• 一个字的指令，需要操作数位于寄存器中
• 是一个小的指令集
• 比较简单，每个指令执行只需要一个周期的时间
• 可以高效使用管道（Effective use of pipelining）
• 典型例子 ARM

CISC:

• 多个字的指令，且运行操作数直接从存储器中获取
• 指令数目非常庞大
• 一个执行需要多个周期进行执行
• 典型例子 X86

RISC的关键特征：

• 每条指令占据一个字
• 使用load/store结构：意味着只有load或store指令可以访问存储器中的操作数，并且用于算术运算或者逻辑运算的操作数必须来自于寄存器，或者是在指令字直接显式地给出。

Load指令一般格式如下：

Load procr_register, memloaction

最初指令和数据位于存储器中，根据 RISC 指令集架构的特点，数据被传输到寄存器中（这里涉及到寻址方式，后续介绍）。

简单例子如下：

//高级语言
C = A + B

//寄存器表示法
C <- [A] + [B]

//Load指令将数据传输到寄存器中
//Store指令将数据传输到存储器中
Load R2, A
Load R3, B
Add R4, R2, R3
Store R4, C

Instruction Execution and Straight-Line Sequencing

假设一个字长是 32 位，存储器是可按字节寻址的，可以在 Load 和 Store 指令中直接指定需要的内存位置。

简单来说：顺序执行指令如下：

[PC] = i
[PC] = i + 4

在上一章我们知道：指令是需要两个阶段执行的：获取指令，执行指令。

分支执行

假设现在有一个任务，我们需要将\(n\)个数进行相加，并且将结果进行存储。

可以发现我们需要执行多次 Add，Load 指令，并且涉及多个操作数，一种可能的方法如下：

不难看出这样需要消费大量的内存空间，我们采用另外一种方法：分支(Branching)

• 使用循环
• 分支指令：我们需要加载一个新地址到 PC 中，并且确定分支目标。
• 条件分支：
  • 对两个寄存器中的内容进行比较，判断是真是假，从而选择是否继续执行循环，关键在于条件的编码。

指令格式

机器指令：为了执行需要的任务，将所要的行动转换为可被处理器回路执行的一系列指令。通常使用汇编表示。

指令集：处理器可以执行的一系列机器指令的集合。

机器指令要素

• 操作码：描述要进行的操作：如 Add 或 I/O 等，一般表示为二进制编码。
• 源操作数引用：指定指令需要的操作数。
• 结果引用：
  • 结果操作数或者源操作数可以被存放到三个位置中：主存或虚存，处理器寄存器，I/O 设备
• 下一条指令引用：指令在程序中是线性的，逻辑上可以认为：下一条指令跟在当前指令的后面。

指令表示法及设计标准

在计算机中，指令是由一段二进制序列进行表示的，分为两段：操作码+地址。

设计标准：

• 短指令比长指令更好
• 确认地址子段的比特位数
• 足够的空间表示所有的操作

指令地址子段

分为 0，1，2，3 三种：

指令长度

分为两种：固定字长和可变字长。

如果一个操作数被多次使用，可以将其存储在寄存器中，也可以隐式指定一个或者多个操作数。

操作数编码

分为固定字长和可变字长：

固定长度：

• 操作码的字长是固定的，但指令的长度是可变的。
• 假设有\(k\)位的操作码，\(n\)位的操作地址：
  • 可以执行\(2^k\)种操作
  • 可以有\(2^n\)个可访问存储单元

可变长度（扩展操作码）：

指令的长度是固定的，操作码和地址的长度相互限制：

• 16 位的指令，假设现在处理器有 16 个寄存器，我们可以分配 4 位用于一个地址（恰好能够支持所有寄存器的访问），另外根据前面提到的三种地址字段，如果是三个操作数情况：则 4 位分配给操作码，剩下 12 位分配给 3 个地址。所以可以有 16 条操作码。

练习题：设计指令集（假设是 16 个寄存器，指令长度为 16 位，操作数地址为四位）

• 15 条 3 地址指令：

  15-12位共四位表示操作码，11-0位，每四位表示一个操作数地址。

  对应的 15 条指令为：0000-1110，因为只有 15 条，所以不需要1111。

  

• 14 条 2 地址指令：

  8 位表示操作码，剩下的 8 位表示两个操作数地址。

  可以将最高 4 位全部置为 1，然后11-8位表示实际的操作码（一共是15-8位）

  从11110000 - 11111101。

  

• 31 条 1 地址指令：

  4 位表示操作数地址，5 位表示指令，剩余全部置为 1。

  从1111 1110 0000 - 1111 1111 1110。

  这里PPT有错误，注意一下：

  

• 16 条 0 地址指令

4 位表示操作码，剩余位全部置为 1。

从1111 1111 1111 0000 - 1111 1111 1111 1111。

寻址方式

寻址方式：用于寻找指令中指定操作数的方法。

有 6 种：立即方式，寄存器方式，绝对方式，寄存器间接寻址，变址方式，带变址的基址方式。

建议英文，比较好想：Immediate, register, absolute, register indirect, index, base with

Immediate

操作数直接给定，用于定义和使用常量，对某些变量设定初始值。

• 优点是不需要存储器访问，缺点是只能作为常量进行使用，并且大小被限制在地址子段的大小内（本质上是一个操作数，占用和地址子段一样多的位数，所以能够表示的范围也是有限的）。

• 常见的有：

  //格式
  [OP][][Operand]
  
  Add R4, R6, #200

Absolute

操作数在存储器单元中，地址被显式地给定在指令中。在编译时期，可以访问地址已知的全局变量。

优点是只需要对存储器的引用且不需要额外的计算。

缺点是需要经常访问同一个存储器地址，并且只能提供有限范围内的地址空间。

Example: Load R2, NUM1

Indirect（注意不是 RISC 的）

Indirect addressing through a memory location is also possible, but it is found only in CISC-style processors.

操作数字段内容是一个存储单元中的内容，表示这个操作数的地址，简单来说就是一个指针。

优点：可以访问非常大的地址空间，如果存储器的字长是\(n\)位，那么\(2^n\)个地址空间是可以访问的。

缺点：需要对存储单元进行两次访问才能获取操作数，第一次是获取地址，第二是获取操作数。

由此可以拓展到多层间接寻址：EA=[..[A]..]。

Register

操作数是处理器寄存器中的内容，寄存器的地址在指令中显式给出。一般用于操作数被经常使用。

优点是只需要一个小的地址子段，不需要对存储器单元的访问。

缺点是地址空间是有限的，也就是寄存器的数目是有限的。

格式：

EA = Ri
//指令地址字段指向的寄存器中的内容

Example: Add R4, R2, R3

Register Indirect

可以类比前面的 Indirect，操作数的有效地址是寄存器中的内容。

优点是可以访问存储单元，但是不需要在指令中占据一个完整的存储器地址，并且减少了存储器的访问次数。

Indexed

有效地址是将寄存器中的内容和X相加后得到的结果。X是一个常量。

有两种使用方式：可能是偏移量在寄存器中给出，也可能是偏移量作为常量给出

Facilitate access to an operand whose location is defined relative to a reference point within the data structure in which the operand appears.方便对操作数的访问，该操作数的位置是相对于出现操作数的数据结构中的引用点定义的。

可能常见用于数组。

一些变体如下：

X可能是由另外一个寄存器中的地址指向的内容替代的。

栈

一种数据结构，先进先出。在计算机中，可以由一段主存单元实现，又称为处理器栈。

拥有一个指针 SP：指向栈顶。(是一个寄存器)

假设一个字长是 32 位的计算机：方向是自底向上

Push:
Substract SP, SP, #4
Store Rj, (SP)

Pop:
Load Rj, (SP)
Add SP, SP, #4

子程序

在一个给定的程序中，一个任务可能被执行多次（数据不同）例如函数等。

将其编码为一块指令，称为子程序。

子程序调用：重复使用这一块指令，通过 Call 指令实现分支（本质上是分支跳转），可以节省存储空间，但必须能够返回分支。并且子程序在执行完毕后，必须能够返回到调用程序，以Return指令结束。

子程序链接（Subroutine Linkage）

• 在执行 Call 中，PC 更新：指向 Call 指令后面的指令。
• 保存地址空间：为 Return 指令使用。最简单的方法是将地址放在 link register 中
• Call 指令执行两个操作：存储更新后的 PC 中的内容在 link register 中，然后分支跳转到子程序的地址。
• Return 指令只执行分支跳转到存储在 link register 中的地址。

由此可以进行一系列子程序嵌套：假设现在有两个进行嵌套，那么当第一个子程序调用后，为了执行第二个子程序时，link register 需要被重写（腾出空间），实际上对应的操作是，第一个子程序在执行第二个子程序调用前，需要将 link register 保存在处理器栈中。当第二个子程序结束时，第一个子程序的 link register 中的内容将会被重新载入。

可以发现符合后进先出的特征，所以可以使用栈实现子程序返回地址的存储。

CISC 指令集

没有受限于 load/Store 体系结构，并且指令长度不一定是一个字长。大多数逻辑算术运算执行的是两个地址的形式，如：

Add B, A
//表示 B <- [A] + [B]

MOVE 指令执行 Load 和 Store 的功能：

Example: C = A + B
Move C, B
Add C, A

//可能一个操作数在寄存器中，一个在存储器中
Move Ri, A
Add Ri, B
Move C, Ri

选址方式还有自增，自减：

自增寻址：操作数的地址是存储器中的内容，并且在获取到操作数后，存储器中的内容会进行自增，指向列表中的下一个元素。

自减寻址：寄存器中的内容先进行自减，然后作为这个操作数的地址进行使用。

相对方式寻址：

就是将寄存器间接寻址法中，寄存器替换为[PC]。

条件码：处理器执行的结果存在某些信息，维护后可用于后续的状态转移。

N：如果为 1，表示负数

Z：如果为 1，表示 0

V：如果为 1，表示溢出

C：如果为 1，表示进位

一个对应的条件转移例子如下：

CISC 和 RISC 的对比：

CISC 和 RISC 比较

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