计算机组成-2.指令系统

分类

• CISC
  • CISC是复杂指令集CPU，内部为将较复杂的指令译码，也就是指令较长，分成几个微指令去执行，正是如此开发程序比较容易（指令多的缘故），但是由于指令复杂，执行工作效率较差，处理数据速度较慢。例如intel和AMD的x86架构的CPU。
• RISC
  • RISC是精简指令集CPU，指令位数较短，内部还有快速处理指令的电路，使得指令的译码与数据的处理较快，所以执行效率比CISC高，不过，必须经过编译程序的处理，才能发挥它的效率。例如ARM和MIPS架构的CPU。

x86体系结构(复杂指令集)

指令结构

• 类别
  • 运算类指令
    • 逻辑运算和移位指令
      • 实现对二进制位的操作和控制，又称“位操作指令”
    • 算术运算指令
      • 完成加、减、乘、除等算术运算
      • ADD指令(加) 格式:ADD DST, SRC 操作:DST←DST+SRC ADC指令(带进位的加) 格式:ADC DST, SRC 操作:DST←DST+SRC+CF INC指令(加1) 格式:INC OPR 操作:OPR←OPR+1
  • 传送类指令
    • 把数据或地址传送到寄存器或存储器单元中
    • 格式:MOV DST, SRC 操作:DST←SRC MOV EBX, 40 直接给出操作数 MOV AL, BL 给出存放操作数的寄存器名称 MOV ECX, [1000H] 给出存放操作数的存储器地址 MOV [DI], AX 给出存放“存放操作数的存 储器地址”的寄存器名称
  • 转移类指令
    • 作用
      • 改变指令执行顺序
    • 说明
      • 根据是否有判断条件，分为无条件转移指令和条件转移指令两大类
      • 根据转移目标地址的提供方式，可分为直接转移和间接转移两种方式
    • 格式
      • JC LABEL 有进位时转移CF=1
  • 控制类指令
    • 作用
      • 控制CPU的功能
      • 对标志位进行操作
    • 格式
      • CLC 把进位标志CF清0
      • WAIT 等待
• 运行结果
  • 改变通用寄存器的内容， 如 ADD AX, DX
  • 改变存储器单元的内容 如 MOV [10H], CX
  • 改变标志位 如产生进位
  • 改变指令指针 如 JMP [BX]
  • 改变外设端口的内容 如访问显示端口

8086

• 特点
  • 内部的通用寄存器为16位 既能处理16位数据，也能处理8位数据
  • 对外有16根数据线和20根地址线 可寻址的内存空间为1MByte(2^20) 按字节编址
  • 物理地址的形成采用“段加偏移”的方式
• 指令的寻址
  • 实模式：CS:IP
• 寄存器模型
  • 数据寄存器
    • 均为16位寄存器
    • 每个16位寄存器都可分为两个8位寄存器使用
    • 适用大多数算术运算和逻辑运算指令
  • 标志寄存器
    • 标志位
      • FLAGS寄存器中包含若干标志位
      • 标志位分为两大类:状态标志和控制标志
    • 状态标志
      • 反映CPU的工作状态 例如:◦ 执行加法运算时是否产生进位 ◦ 运算结果是否为零
    • 控制标志
      • 对CPU的运行起特定控制作用 例如:◦ 以单步方式还是连续方式运行 ◦ 是否允许响应外部中断请求
  • 指令指针寄存器IP(Instruction Pointer)
    • 保存一个内存地址，指向当前需要取出的指令
    • 当CPU从内存中取出一个指令后，IP会自动增加，指向下一指令的地址(注:实际情况会复杂的多)
    • 程序员不能直接对IP进行存取操作
    • 转移指令、过程调用/返回指令等会改变IP的内容
  • 段寄存器(Segment Register)
    • IP寄存器的寻址能力: 216=65536(64K)字节单元，8086对外有20位地址线 寻址范围:2^20=1M字节单元
    • 与其它寄存器联合生成存储器地址
    • 物理地址 =段基值×16+偏移量

80386

• 特点
  • 支持32位的算术和逻辑运算，提供32位的通用寄存器
  • 地址总线扩展到32位，可寻址4GB的内存空间
  • 改进了“保护模式”(例如，段范围可达4GB)
  • 增加了“虚拟8086模式”，可以同时模拟多个8086微处理器
• 指令的寻址
  • EIP寄存器的寻址能力：2^32byte；地址总线扩展到32位，可寻址4GB的内存空间。是一样的
  • 保护模式下逻辑地址写成CS:EIP的形式，但物理地址的产生方式已经与实模式不同了
    • 段基址不在CS中，而是存放在内存中
    • CS寄存器的内存+GDTR寄存器的内容得到一个地址，用这个地址去访问存储器，取出这个描述符，再把描述符的第2、3、4、7字节的基地址提取出来，和指令指针寄存器EIP的内容进行组合，得到想要的存储器地址，用这个地址去访问存储器，得到想要的指令编码。
• 寄存器模型

x86-64

• 特点
  • 字长64位
• 寄存器模型
  • 

MIPS体系结构（精简指令集）

指令结构

• 基本格式
• 类别
  • R/I/J
    • R型指令
      • R:Register，寄存器
    • I型指令
      • I:Immediate，立即数
    • J型指令
      • J:Jump，无条件转移
  • 按功能分类
    • 运算 指令
      • 算术运算
        • add rd,rs,rt # R[rd]=R[rs]+R[rt]
        • addi rt,rs,imm # R[rt]=R[rs]+SignExtImm
        • 例如addi $21,$22,-50 # $21=$22+(-50)
      • 逻辑运算
        • and rd,rs,rt # R[rd]=R[rs]&R[rt]
        • andi rt,rs,imm # R[rt]=R[rs]&ZeroExtImm
        • 例如and $8,$9,10 #8=9&10
    • 访存 指令
    • 分支 指令

MIPS

• 特点
  • 固定的指令长度(32-bit，即1 word)
    • 简化了从存储器取指令
  • 简单的寻址模式
    • 简化了从存储器取操作数
  • 指令数量少，指令功能简单(一条指令只完成一个操作)
    • 简化指令的执行过程
  • 只有Load和Store指令可以访问存储器
    • 例如，不支持x86指令的这种操作:ADD AX,[3000H]
  • 需要优秀的编译器支持
• 寄存器模型