计算机组成原理-学习笔记14-指令集

二月 10, 2023 2785

计算机组成原理-学习笔记14-指令集

1.基础

  • 计算机执行程序，程序由指令组成，CPU执行指令
  • 指令集：CPU能执行的各种不同指令的集合

​

  • 指令是计算机处理的最基本单位
    • 操作码（指令执行的内容）+ 操作数（要操作的对象）
  • 可以将一条指令的执行分解为一系列步骤
    • 取指令，
    • 译码/取寄存器，
    • 执行/有效地址/完成分支，
    • 访问内存，
    • 存储结果

2.指令的格式

  • 指令的要素（一定存在，但不一定显式出现为二进制）

    • 操作码：指定将要完成的操作
    • 源操作数引用：操作会涉及一个或多个源操作数，这是操作所需的输入
    • 结果操作数引用：操作可能会产生一个结果
    • 下一指令引用：告诉处理器这条指令执行完成后到哪儿去取下一条指令

  • 指令格式

    • 大多数指令集使用不止一种指令格式（ 如何避免指令的二义性？）
    • 机器指令符号表示法：
      • 操作码被缩写成助记符来表示
      • ADD：加，SUB：减，MUL：乘，DIV：除，LOAD：由存储器装入，STOR：保存到存储器…
    • 操作数也可以用符号表示
      • 用寄存器编号或内存地址替换操作数

  • 区分零指令、一指令、二指令

3.操作码

• 数据传送

• 算术运算

• 逻辑运算

• 转换

• 输入/输出

• 系统控制

• 控制转移128

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4.操作数

类型：

  • 地址

    • 4个地址引用：2个源操作数、1个目的操作数、下一指令地址
    • 下一地址可能是隐含的

  • 数值

  • 字符

    • ascii：7
    • ebcdic：8
    • unicode：16

  • 逻辑数据

  • 1/0

大端小端：大端顺小端逆（不是完全逆，1字节为单位）

5.寻址方式

  • 一些定义

    • • A: 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 或寄存器 X 的内容

      ​ （EA）= 操作数

  • 立即寻址

    • 方式：操作数实际值出现在指令中
    • 用法：定义和使用常数或设置变量的初始值
    • 算法：操作数 = A
    • 优点：快，除了取指令之外，获得操作数不要求另外的存储器访问
    • 缺点：数的大小受限于地址字段的长度

  • 直接寻址

    • 方式：地址字段含有操作数的有效地址
    • 用法：早期计算机常用，在当代计算机体系结构中不多见
    • 算法：EA = A
    • 优点：只要求1次存储器访问，且无需为生成地址而专门计算
    • 缺点：有限的地址空间

  • 间接寻址

    • 方式：地址字段指示一个存储器字地址, 而此地址出保存有操作数的全长度地址（指针）
    • 算法：EA = (A)
    • 优点：扩大了地址空间
    • 缺点：取操作数需要2次访问存储器
    • 解释：地址引用的数量限制可能是有益的

  • 寄存器寻址

    • EA = R
    • 优点：指令中仅需要一个较小的地址字段, 且不需要存储器访问
    • 缺点：地址空间十分有限
    • 解释：寄存器寻址只有在被有效使用的时候才有意义

  • 寄存器间接寻址

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

偏移寻址

  • EA = (R) + A
  • 要求指令有两个地址字段，至少其中一个是显式
  • 结合直接寻址和寄存器间接寻址能力
  • 类型
    • 相对寻址
      • EA= （PC）+ A
      • 隐含引用的寄存器是程序计数器（PC），此指令后续的下一条指令的地址加上地址字段的值产生有效地址
      • 用法： 大多数存储器访问都相对靠近正在执行的指令，相对寻址可节省指令中的地址位数；可用于转移控制指令。
      • 优点： 利用程序局部性原理，节省指令中地址的位数
    • 基址寄存器寻址
      • EA = （R） + A, B为寄存器中固定的储存器地址
      • 被引用的寄存器含有一个存储器地址，地址字段含有一个相对于那个地
        址的偏移量（通常是无符号整数表示）
      • 用法： 虚拟内存空间中的程序重定位
    • 变址寻址
      • EA = （变址寄存器 IX）+ A
      • 指令地址字段引用一个主存地址，被引用的寄存器含有对于该地址的一个正
        的偏移量
      • 用法： 为完成重复操作提供一种高效机制
  • 解释： 偏移寻址要求指令有两个地址字段，至少其中一个是显式的

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是一种寄存器间接寻址方式
  • 解释： 与栈相关的是一个指针，它的值是栈顶地址，或者当栈顶的两个元素已在CPU寄存器内，此时栈顶指针指向栈顶的第三个元素

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栈的实现

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6.指令格式设计原则

  • 指令尽量短

    • 最明显的权衡考虑是在强有力的指令清单和节省空间之间进行
    • 指令长度应该是字符长度或定点数长度的整数倍 （比如n个字节）
    • 指令长度应该等于存储器的传送长度（即数据总线宽度），或者这两个值其中之一是另一个的整数倍

  • 有足够的操作码位数

    • 变长操作码：要为操作类型不断增加预留

  • 操作码的编码必须有唯一的解释

  • 指令长度是字节的整数倍

    • 与内存按照字节寻址相对应，便于指令的读取和地址计算

  • 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

    • 简化硬件的实现

  • 位的分配

    • 用变长的操作码
    • 使用寻址位的考虑因素：寻址方式的种数、操作数的数量、寄存器组的数目（对于固定数目的寄存器, 功能上的分开将使指令只需较少的位数）、地址范围、寻址粒度（使用较大的字时， 需要的地址位更少 ）

  • 变长指令

    • 定义：提供不同长度的各种指令格式
    • 优点
      • 易于提供大的操作码清单，而操作码具有不同的长度
      • 寻址方式能更灵活，指令格式能将各种寄存器和存储器引用加上寻址方式予以组合
    • 缺点
      • 增加了CPU的复杂程度（效率也会降低）

指令集设计

  • 指令集的设计是件很复杂的事情，影响计算机系统的诸多方面

    • 指令集定义了处理器应完成的多数功能，对处理器的实现有着显著的影响
    • 指令集是程序员控制处理器的方式，设计时必须考虑程序员的要求

  • 设计的基本原则

    • 完备性
    • 兼容性（兼容以前的指令系统）
    • 均匀性（对多种类型数据都能处理）
    • 可扩充性：操作码预留编码空间

  • 设计的基本问题

    • 操作指令表：应提供多少和什么样的操作，操作有多复杂
    • 数据类型：对哪几种数据类型完成操作
    • 指令格式：指令的位长度、地址数目、各个字段的大小等
    • 寄存器：能被指令访问的寄存器数目以及它们的用途
    • 寻址：寻址方式的种类以及有效地址的计算
    • 下一条指令地址的确定：通常通过PC寄存器实现
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