26考研 | 王道 | 计算机组成原理 | 四、指令系统

news2025/6/6 18:34:32

26考研 | 王道 | 计算机组成原理 | 四、指令系统

文章目录

  • 26考研 | 王道 | 计算机组成原理 | 四、指令系统
    • 1.指令系统
      • 0.指令集体系结构
      • 1. 指令格式
        • 1.按地址码数目不同来分
        • 2.指令-按指令长度分类
        • 3.指令-按操作码长度分类
        • 4.指令-按操作类型分类
      • 2. 扩展操作码指令格式
    • 2.指令的寻址方式
        • 1.顺序寻址（PC）+“1”–>PC
        • 2.跳跃寻址：由转移指令指出
      • 2. 数据寻址
        • 1.常见寻址方式
        • 2. 数据寻址–偏移寻址
        • 3. 数据寻址–堆栈寻址
    • 3.程序的机器级代码表示
      • 1. 高级语言与机器级代码之间的对应
      • 2. 常用的X86汇编语言指令
      • 3. ATu0026T格式和intel格式
      • 4. 选择语句的机器级表示
      • 5. 循环语句机器级表示
      • 6.函数调用的机器级表示
        • 1.call和ret指令
        • 2.如何访问栈帧
        • 3.如何切换栈帧
          • 进入函数
          • 函数返回
          • ret指令
        • 4.如何传递参数和返回值
    • 4. CISC和RISC

1.指令系统

0.指令集体系结构

image-20250604151625968

image-20250604151658241

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1. 指令格式

image-20250604103803885

image-20250604102736829

image-20250604102809082

1.按地址码数目不同来分

image-20250604103351242

image-20250604103008235

image-20250604103144391

image-20250604103226162

image-20250604103330396

2.指令-按指令长度分类

image-20250604103531737
机器字长和存储字长固定不变。

3.指令-按操作码长度分类

image-20250604103627413

4.指令-按操作类型分类

image-20250604103746769

程序控制类指令除了上述还有循环指令

2. 扩展操作码指令格式

image-20250604103902998

image-20250604104021670

image-20250604104137826

image-20250604104541253

image-20250604104605328

2.指令的寻址方式

###1. 指令寻址

image-20250604105529082

1.顺序寻址（PC）+“1”–>PC

image-20250604104945292
image-20250604105027197
image-20250604105224901

图中的指令字长是变化的，不是右边的16bit，所以才会每次读入一个字

2.跳跃寻址：由转移指令指出

image-20250604105518477
本节回顾

  1. 转移指令是通过修改PC实现的
  2. 程序计数器PC：存放下一条指令所在单元的地址
  3. 累加器ACC：用来存放操作数或运算结果
  4. 指令寄存器IR：临时放置从内存里面取得的程序指令的寄存器，用于存放当前从主存储器读出的正在执行的一条指令。
  5. 地址寄存器MAR：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。

2. 数据寻址

image-20250604105811906

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

1.常见寻址方式

image-20250604110946756

取指令也需要一次访存（如果指令字长等于存储字长的话）

直接寻址

在这里插入图片描述

间接寻址

在这里插入图片描述

寄存器寻址

在这里插入图片描述

寄存器间接寻址

在这里插入图片描述

隐含寻址

在这里插入图片描述

立即寻址

在这里插入图片描述

2. 数据寻址–偏移寻址

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基址寻址

在这里插入图片描述

image-20250604120311361

在这里插入图片描述

变址寻址

image-20250604120510270
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其实IX的值就是个偏移量

在这里插入图片描述

基址&变址复合寻址

image-20250604121114645

相对寻址

在这里插入图片描述
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等到取指令取完第M+3条指令之后，PC值就会变为M+4，而不是M+3，所以相对寻址（跳转指令）就得按照PC=M+4来算，也就是补码表示的-4
在这里插入图片描述

基址寻址中程序浮动指的是整段程序在内存里的浮动，相对寻址中程序浮动指的是一段代码在程序内部的浮动。

本节回顾
在这里插入图片描述

硬件如何实现数的“比较”

image-20250604122205585
注：无条件转移指令jmp2，就不会管PSW的各种标志位。PC=2

3. 数据寻址–堆栈寻址

image-20250604122537785
在这里插入图片描述

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硬堆栈压入和弹出都不需要访存，而软堆栈不管压入还是弹出都需要一次访存，因为软堆栈是在主存中划分出来了一部分内容作为堆栈（也是函数调用时候保存信息的哪个堆栈）

image-20250604122901347
在这里插入图片描述

3.程序的机器级代码表示

1. 高级语言与机器级代码之间的对应

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X86汇编语言指令基础

在这里插入图片描述

以MOV指令为例

在这里插入图片描述

X86架构CPU，有哪些寄存器？

在这里插入图片描述

通用寄存器另外两种表示方式

在这里插入图片描述

####📊 通用寄存器功能概览

寄存器主要用途细分功能典型指令示例
AX累加器（核心运算）乘除运算、I/O操作、数据中转MUL、DIV、IN、OUT
BX基址寄存器（内存寻址）存储偏移地址、数组/结构体访问MOV AX, [BX]、LEA
CX计数器（循环/字符串控制）循环次数计数、字符串操作重复控制LOOP、REP MOVSB
DX数据寄存器（I/O及高精度运算）I/O端口寻址、乘除法辅助、大数存储IN AX, DX、MUL DX

在这里插入图片描述

更多例子
在这里插入图片描述

总结

在这里插入图片描述

2. 常用的X86汇编语言指令

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常见的算数运算指令

在这里插入图片描述

destination:目的地（d目的操作数）

source：来源地（s源操作数）

目的操作数d不可以是常量，可以来是寄存器或者主存

而s三者都可以

在进行除法运算之前，需要把被除数位扩展，如32bit/32bit要变成64b/32b,存放64位的被除数需要两个寄存器，edx:eax，高32位存放在edx,低32位存放在eax

在这里插入图片描述

X86汇编语言当中不允许两个操作数同时来源于主存。

在这里插入图片描述

3. ATu0026T格式和intel格式

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4. 选择语句的机器级表示

程序默认是顺序执行的

程序中的选择语句（分支结构）

在这里插入图片描述

无条件转移指令–jmp

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

无条件转移指令，类似于c语言里的goto语句

无条件转移指令无法实现if,else语句，因为不需要任何条件就可以跳转

条件转移指令–jxxx

在这里插入图片描述

示例：选择语句的机器级表示

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

扩展：cmp指令的底层原理

在这里插入图片描述

5. 循环语句机器级表示

用条件转移指令实现循环

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

用loop指令实现循环

在这里插入图片描述

6.函数调用的机器级表示

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1.call和ret指令

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image-20250604212740643

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2.如何访问栈帧

image-20250604213856167

image-20250604213023338

image-20250604213121590

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image-20250604213621791

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3.如何切换栈帧

image-20250604222414167

进入函数

image-20250604213956495

image-20250604221727855

通过这两条命令保存上一层函数的栈帧地址，并设置当前函数的栈帧地址

image-20250604221852468

enter是零地址指令，直接等价于那两条命令

函数返回

执行那两条指令前是这样的

image-20250604222010270

执行第一条指令后，也就是让esp和ebp指向同一个位置

image-20250604222127950

执行第二条指令后，就返回了上一层函数调用

image-20250604222202678

这两条等价于leave

image-20250604222254605

ret指令

image-20250604222322658

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4.如何传递参数和返回值

image-20250604223858250

image-20250604222658556

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如果用来保存 被调用函数的返回值 的寄存器原来有数据，那就得压栈，然后去保存返回值，等把返回值读出来以后再回复原来的数据

image-20250604223914089

前两句代码执行：相当于enter

image-20250604224303382

执行sub指令，相当于划分了一片属于自己的空间，即图中绿色部分

image-20250604224338087

执行接下来两句，作用是初始化变量temp1和temp2

image-20250604224500101

接下来四句指令都是给下层函数add传递参数，需要倒腾一遍，先把temp1放到寄存器，再从寄存器放回主存的对应地址（不从主存直接写到主存是因为汇编的源操作数和目的操作数不可以同时是主存）

image-20250604224611197

执行call指令，然后就是惯例执行add的前两行，这是保存上一层函数的信息

image-20250604224734229

通过ebp访问上层函数保存的本层函数要用的参数，保存到寄存器中

image-20250604224905591

执行add

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执行leave

image-20250604225039794

执行ret

image-20250604225116719

通过eax寄存器使用返回值

image-20250604225136280

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再次使用eax给再上一层函数返回值

image-20250604225308781

之后就是leave和ret了

4. CISC和RISC

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有的复杂指令用硬件实现困难，那就把组成复杂指令的一些简单的指令存储起来（微程序），完成这个复杂指令

比如矩阵乘就可以由剩下的整数加减乘和矩阵加减来完成

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