02 指令 | 计算机组成原理

1. 指令系统

1. 指令系统概述

1. 指令系统：是计算机硬件的语言系统，它是软件和硬件的主要界面，从系统结构的角度看，指令系统表征了计算机的基本功能，决定了机器所要求的能力
2. 指令系统设计原则
   1. 完备性：提供的质量足够解决任何可解的问题
   2. 有效性：简洁加速常用操作，没有歧义
   3. 规整性：对称、匀齐、一致
   4. 兼容性：对于之前和之后的版本都能使用
3. 完善的指令系统的组成部分
   1. 数据传送指令：$Load/Store$指令
   2. 输入输出指令：$In/Out$指令
   3. 算术运算指令：$Add$等指令
   4. 逻辑运算指令：$And$等指令
   5. 系统控制指令：中断等指令
   6. 程序控制指令：$Jump$等指令

2. 两种指令系统计算机$CISC$和$RISC$

1. $CISC(ComplexInstructionSetComputer)$：复杂指令集计算机
   1. 特点
      1. 指令系统复杂
      2. 指令周期长
      3. 各种指令都能访问存储器
      4. 用专用的寄存器
      5. 采用微程序控制
      6. 难以进行编译优化生成高效的目标代码
   2. 存在的问题
      1. 研制周期长
      2. 难以保证设计的准确性，难以调试和维护
      3. 机器的时钟周期长，降低了系统性能
      4. 效率低下
2. $RISC(ReducedInstructionSetComputer)$：精简指令集计算机
   1. 特点
      1. 简化的指令系统
      2. 以寄存器-寄存器的方式工作
      3. 指令周期短
      4. 采用大量通用寄存器，以减少访存次数
      5. 采用组合逻辑电路控制，不用或少用微程序控制
      6. 采用优化的编译系统，力求有效地支持高级语言程序
   2. 常用的$RISC$指令集
      1. $ARM$
      2. $MIPS$
      3. $RISC-V$
      4. $DECAlpha$
      5. $SPARC$
      6. $PowerArchitecture$

2. 指令格式

1. 指令格式的组成

1. 组成：指令 = 操作码 + 地址码；一条指令包括1个操作码和多个操作码
2. 指令按组成分类
   1. 零地址指令 [OP]
   2. 一地址指令[OP][Address1]
   3. 二地址指令（最常用）[OP][Address1, Address2]
   4. 三地址指令（$RISC$ 风格）[OP][Address1, Address2, Address3]
   5. 多地址指令

2. 操作码的设计

1. 操作码长度
   1. 定长操作码：指令操作码部分采用 固定长度 的编码
      • 特点：译码简单，但是会有信息冗余
   2. 扩展操作码：指令的操作码部分采用 可变长度 的编码，将操作码的位数分为几种固定长度的格式，操作码的位数随地址数的减少而增加
      1. 优点：
         1. 缩短指令长度
         2. 减少程序总位数
         3. 增加指令字所能表示的信息
      2. 重要原则：使用频度高的指令对应更短的操作码；使用频度低的指令对应较长的操作码
2. 操作码相关计算
   • 例：某指令系统指令字长16位，每个地址码为6位。若二地址指令15条，一地址指令34条，则剩下零地址指令最多有多少条？
     解: 操作码按短到长进行扩展编码
     二地址指令： (0000 ~ 1110)
     一地址指令： 11110 (00000 ~ 11111)；11111 (00000 ~ 00001)
     零地址指令： 11111 (00010 – 11111)； (000000 – 111111)
     故零地址指令最多有： $(2^5-2)\times 2^6=15\times 2^7$ 种

3. 寻址方式

1. 指令系统的寻址

• 指令 寻址和 操作数 寻址

2. 基本寻址方式分类

1. 立即数寻址
   1. 方式：源操作数直接就在指令中
   2. 特点
      1. 指令执行时间短：直接从指令中取操作数
      2. 操作数大小受到地址字段的限制
      3. 广泛使用
2. 存储器直接寻址
   1. 方式：操作数在 存储器 中，指令中的是操作数在存储器当中的 地址
   2. 特点
      1. 处理直接，简单
      2. 寻址空间受到指令的地址字段长度的限制
      3. 较少使用，只有少数的 $8$ 位计算机和 $16$ 位计算机使用
3. 寄存器寻址
   1. 方式：操作数在 寄存器 中，指令中的是操作数存放的 寄存器编号
   2. 特点
      1. 只需要很短的地址字段：寄存器数量较少
      2. 无需访问内存储器，指令执行速度快
      3. 地址范围有限，可以为编程使用的寄存器不多
      4. 使用最多，是提高性能的常用手段
4. 存储器间接寻址
   1. 方式：操作数和操作数的地址都在 存储器 中，指令中的是操作数地址在存储器当中的地址
   2. 特点
      1. 寻址空间大，灵活，易于编程
      2. 至少需要两次访存才能取到操作数，执行速度慢
5. 寄存器间接寻址
   1. 方式：操作数在存储器中，操作数地址在 寄存器 中，指令中的是 寄存器编号
   2. 特点
      1. 寻址空间大，较为普遍
      2. 比存储器间接寻址少访问一次存储器
6. 偏移寻址
   1. 相对寻址：NextAddress = (PC) + A：相对当前指令地址PC，位移量为A的单位
   2. 基址寻址：NextAddress = (Base) + A
      1. 相对于基址 Base 处位移量为 A 的单元
      2. 应用：程序 重定位
      3. 主要面向计算机系统
      4. 偏移位数较短
   3. 变址寻址：NextAddress = (I) + A
      1. 相对于形式地址 A 位移量为 (I) 的单元
      2. 应用：实现线性表元素的存取（如数组）
      3. 主要面向用户
      4. 偏移维数足以表示整个存储空间
7. 堆栈寻址

3. 寻址方式的确定

1. 在操作码中给定寻址方式
2. 专门的寻址方式位

4. 存储器编址单位

• 一般是字节编址（一个地址为一个字节）

4. 数据的表示

1. 数据的基本概念

1. 数据变量的六要素：名称，类型，值，地址，作用域，生命周期
2. 数据宽度
   1. 位 bit ：计算机处理存储传输信息的最小单位
   2. 字节 byte ：计算机中二进制信息的主要存放单位，现代计算机的主存是按字节编址，字节是最小的可寻址单位，1byte = 8 bits
   3. 字 word ：表示被处理信息的单位，用来度量数据类型的宽度
   4. 字长 word length ：子长是指 $CPU$ 数据通路的宽度，等于 $CPU$ 内部总线的宽度或者运算器的位数或者通用寄存器的宽度等

   字和字长的 区别

   字是处理信息的单位，和字长的宽度可以一样也可以不一样，通常是字节 byte 的整数倍

2. 正数与负数

1. 原码：用 0 表示正数，用 1 表示负数
   • val = +90，二进制原码为 0 1011010
   • val = -90，二进制原码为 1 1011010
2. 反码：如果是负数，直接将二进制真值 逐位取反
3. 补码：如果是负数，在反码的基础上 加一
4. 移码：与补码的符号位相反：即 用 1 表示正数，用 0 表示负数

3. 浮点数 $IEEE754$

1. 符号位 S：1表示负数，0表示正数

2. 尾数 f：尾数为原码，其中对小数进行 规格化，使得最高位总为1，然后隐含这一位的表示；因此单精度表示精度为 $1+23$ bits，双精度表示精度为 $1+52$ bits（尾数精度=尾数的位数 + 1）

3. 阶码 e

   1. 偏置常数 bias：对于每一个阶数都要加上一个偏置常数，便于浮点数加减运算以及比较操作的时候进行 对阶操作
   2. 单精度的偏置常数为 127，双精度的偏置常数为 1023

   为什么不是单精度的偏置常数不是 $2^7=128$

   原本利用移码的操作应该加上 $2^{n-1}$ 的固定值，但是 $IEEE754$为了处理一些特殊情况：无穷$\mathrm{\infty }$, NaN(Not a Number) 和 $0$ 等，因此除去这些特殊的情况后设置的偏置常数为 $2^{n-1}-1$

4. 单精度表示
   

5. 双精度表示
   

6. 转换公式（以单精度为例）

   1. 将二进制浮点转换为十进制
      $$Nu{m}_{10}=(-1{)}^S\times (1+f)\times 2^{e-127}$$

   2. 将十进制小数转换为二进制浮点型
   3. 对整数和小数进行二进制转换
   4. 规格化：整数部分只留下1
   5. 阶码加上 127

7. 浮点数的特殊值表示
   

8. 单精度范围：$-3.40\times {10}^{38}\sim +3.40\times {10}^{38}$

9. 双精度范围：$-1.79\times {10}^{308}\sim +1.79\times {10}^{308}$

10. 浮点数加法不符合结合律

4. 数值数据的十进制表示

1. $ASCII$ 码
   1. 把十进制数看作字符串，0~9分别对应 $30Hex\sim 39Hex$，一位十进制数用八位二进制表示
   2. 正负数
      1. 方法一：直接加正号负号的$ASCII$码：+:2B Hex，-:2D Hex
      2. 方法二：符号位嵌入到最低位数字的ASCII码的高4位，省一个字节
         1. 正数：最低位数字的高四位不变
         2. 负数：最低位数字的高四位变为 0111
2. $BCD$ 码
   1. 思想：0～9每个十进制数位至少用4位二进制位来表示
   2. 有权码和无权码

      1. 有权码：表示每个十进制数位的4个二进制数位(称基2码)都有一个确定的权，如8421码

      2. 无权码：表示每个十进制数位的4个基2码没有确定的权，如余3码和格雷码

         十进制数字	8421	余三码	格雷码
         0	0000	0011	0000
         1	0001	0100	0001
         2	0010	0101	0011
         3	0011	0110	0010
         4	0100	0111	0110
         5	0101	1000	1110
         6	0110	1001	1010
         7	0111	1010	1000
         8	1000	1011	1100
         9	1001	1100	0100

5. 字符数据的机器表示

1. 7位$ASCII$码
2. 汉字以及国际字符编码：$Unicode$

6. 数据的度量和存储

1. 数据的度量单位

   度量单位	缩写	存储二进制换算关系	描述计算机通信带宽的换算关系
   千字节	KB	$1KB=2^{10}bytes=1024B$	$1KB={10}^{3}bytes=1000B$
   兆字节	MB	$1MB=2^{20}bytes=1024KB$	$1MB={10}^{6}bytes=1000KB$
   千兆字节	GB	$1GB=2^{30}bytes=1024MB$	$1GB={10}^{9}bytes=1000MB$
   兆兆字节	TB	$1TB=2^{40}bytes=1024GB$	$1TB={10}^{12}bytes=1000GB$

2. 数据的存储方式

   1. 大端方式：$MSB$最高有效位所在的地址是数的起始地址
   2. 小端方式：$LSB$最低有效位所在的地址是数的起始地址

3. 数据对齐

   1. 按边界对齐(假定字的宽度为32位，存储器按字节编址)
      1. 字地址：4的倍数
      2. 半字地址：2的倍数
      3. 字节地址：任意等字节长度
   2. 不按边界对齐：存储更紧凑，但是会增加访存次数

7. 基本指令和指令类型

1. 指令系统组成
   1. 数据传送指令：$Move$、$Store$、$Load$、$Exchange$等
   2. 算术运算指令：定点数，浮点数，十进制数字的运算
   3. 逻辑运算指令：$And$、$Or$、$Not$、$Xor$、$Compare$等
   4. 输入输出指令：$IN$、$OUT$等
   5. 系统控制指令：启动IO设备，存取特殊寄存器指令等
   6. 程序控制指令：转移指令，循环控制指令，子程序调用以及返回，程序中断以及返回指令
2. 使用子程序的优势
   1. 降低程序设计的复杂度
   2. 提高程序的可重用性
   3. 节省存储空间
   4. 是模块化程序设计的基础，子程序库

5. 程序的机器级表示

1. MIPS 指令系统介绍

1. 指令长度：都是32位宽，按字地址对齐
2. 三种指令格式

   1. R-Type：用于寄存器，两个操作数都是寄存器的运算指令

      字段	OP	rs	rt	rd	shamt	funct
      含义	操作码	第一个源操作数寄存器	第二个操作数寄存器	结果寄存器	移位指令的位移量	功能码(op操作的特定变式)
      位数	6	5	5	5	5	6

   2. I-Type：一个寄存器，一个立即数

      字段	OP	rs	rt	immediate
      含义	操作码	源操作数寄存器	结果寄存器	立即数或者偏移地址数
      位数	6	5	5	16

   3. J-Type：无条件跳转指令

      字段	OP	Address
      含义	操作码	偏移地址
      位数	6	26

      • 无条件转移地址的低26位；将PC高4位拼上26位直接地址，最后添2个0， 就是32位目标地址

      J-Type 为什么要添加两个0（左移2位）

      J-Type 跳转到传递的目标。但是，由于指令集限制为32位，并且6个用于操作码，因此仅26个可以用于跳转目标。这意味着J-Type可以通过的距离受到限制；MIPS指令集可以这样定义：遇到J-Type时，将PC的高4位添加到J-Type的26位目标上，但是要注意的是，该指令是程序能跳的地址总是"字对齐的"。这意味着这些地址始终是4的倍数，因此地址的最后2位始终是0。这使我们可以不对跳转目标中的最后2位进行编码

3. 指令类型
   1. 算术逻辑运算指令
   2. 数据传输指令
   3. 条件分支指令
   4. 无条件跳转指令
4. 条件转移指令通常根据Condition Codes (条件码 / 状态位 / 标志位)进行转移
   1. 标志位：SF：负数标志； OF：溢出标志； CF：进位指令； ZF：零标志
   2. 设置 CF 和 OF
      1. 设置CF标志时，运算结果被视为无符号数
      2. 设置OF标志时，运算结果被视为有符号数
      3. 区别
         1. 进/借位CF表示无符号数的运算结果是否超出范围，即使超出范围，如果保存进位或借位，运算结果仍然是正确的
         2. 溢出标志OF表示有符号数的运算结果是否超出范围，若超出范围，则运算结果不正确

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本文作者：RadiumGalaxy
本文链接：https://www.cnblogs.com/RadiumGalaxy/p/16795858.html
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