计算机系统5-> 计组与体系结构2 | MIPS指令集（上）| 指令系统

系列的上一篇计算机系统4-> 计组与体系结构1 | 基础概念与系统评估，学习了一些计算机的基础概念，将一些基本的计算机组成部分的功能和相互联系了解了一下，其中很重要的一个抽象思想就是软硬件的接口——指令集，这一篇就来具体地学习MIPS指令集。

参考资料：

  1. Computer Organization and Design the 5th Edition，即计算机组成与设计硬件软件接口第五版
  2. 课件，由于是英文且只是老师的思路，所以是辅助参考
  3. 《计算机组成原理》谭志虎，HUST（此书强推）
  4. 《计算机组成原理》MOOC HUST

没有学过计算机系统基础，也就没接触过×86指令集，当时上课听的挺难受的。下来又看了一遍书。我觉得课本写得不太好，得完全通读一遍，才知道它整体上要给我们传授什么概念和思想，知识之间是糅杂在一起的，更像是作者关于MIPS的漫谈（想到哪介绍到哪）。

00 一些前言

关于指令集这部分的内容，系列4中已经介绍了它在计算机系统层次中的位置以及功能作用，本文是对于指令集功能的具体实现的更深入的介绍。

这次学习的指令集就包含两个方面：

  1. 人编程书写的形式--汇编语句（助记符）；
  2. 计算机识别的形式--机器指令（数字串）；
graph TD; 高级语言程序-->汇编语句; 汇编语句-->机器指令; 机器指令-->对应硬件电路设计/数字逻辑;

本部分不按照课件整理，也不按照课本整理，我就以上面这两个方面以及上图中的三个过程，分四个部分，来进行梳理：

  • MIPS指令集（上）：指令系统

    • 自顶向下讲解一下指令系统的组成和特性

  • MIPS指令集（中）：MIPS汇编指令与机器指令。

    • 单独整理MIPS的各种指令作用及其机器指令格式。

  • MIPS指令集（下）：高级程序块在MIPS指令集架构中的翻译

    • 高级语言的MIPS汇编表示是什么样子的。

  • MIPS指令集（续）：完整C代码的各级表示（偏向实操） | 使用Mars

    • 一次作业（已截止），进行深挖细想。

  • 接下来从机器指令到数字逻辑，是处理器CPU部分要介绍的内容

因为计算机硬件技术的基本原理相似，而且能够提供的基本操作也不外乎几种，所以不同的指令集及其机器语言大多很相似。

但是对于设计人员来说，追求的就是一种性能最优、功耗成本最低的指令集 / 机器语言架构。MIPS就是一种性能比较好的指令集。

可能大家会有一个疑问，即指令集为什么还有性能、功耗、成本之说，它是怎么影响这些指标的呢？这部分内容会来解释这个问题。

0413 本以为拆分之后会短一点，其实内容还是很多。

01 指令系统概述

根据图灵机理论，我们得知，计算机的工作就是不断地以一种重复的流程执行不同的指令。指令到底是什么呢？

指令以前提到过，就是对于计算机的命令。狭义来讲，就是一串数字流，控制计算机来执行某种操作（比如加、减、移位等）；广泛一点来讲，其实本质上是对于计算机的命令，出于计算机不同层次的指令可能会不同，比如微程序设计级用户一般会用微指令（微体系结构，处理器部分会讲解）；一般机器级用户会使用机器指令；汇编语言级的用户会使用汇编指令；高级语言级用户会使用高级语言指令。

3

所谓指令集 / 指令系统，即计算机中底层设计承认的指令的集合，官方一些的话就是某种计算机体系结构中所有指令的集合。

指令集 / 指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。也可以说指令系统是计算机硬/软件的界面。

02 指令格式

指令是怎样控制计算机底层的电路的呢？状态机还记得吧，我们将不同的状态编码为不同的数字串，通过逻辑电路识别不同的状态码来执行不同的工作，加法或是移位。所以设计指令首先要考虑的事情就是指令的格式；

即明确指令处理什么对象（操作数），对对象进行何种操作，通过何种方式获取操作数等等。

指令格式具体来讲就是二进制代码表示指令的结构形式，一般格式如下图所示。

操作码字段op 地址码字段A
  • 操作码：表示这条指令用于进行何种操作 / 处理何种操作数（操作对象）；
  • 地址码：给出被操作对象 / 操作数的位置；
  • 寻址方式：决定获取操作对象 / 操作数的方式；寻址方式可以在地址码中（如PDP-11、Inel×86），也可以放在操作码中（如MIPS、RISC-V）；

02-1 指令字长度

一条指令中包含的二进制数的个数，也即指令字长，比如MIPS的指令字长为32。

MIPS32 和 MIPS64 的差别在于单个寄存器的位数以及CPU的字；

  • 前者寄存器32位；
  • 后者寄存器64位；
  • CPU中都是32个寄存器；
  • 指令长度都为32位。

按照指令字长是否固定，可分为定长和变长指令系统。

  1. 定长指令系统
    • 长度固定，结构简单，有利于CPU取指、译码和指令的顺序寻址；方便硬件实现；
    • 但指令平均长度较长，冗余状态较多，不易扩展；
    • 精简指令系统 / RISC 多采用定长指令系统；
  2. 变长指令系统
    • 长度可变，结构灵活，冗余状态较少，平均指令长度较短，可扩展性好；
    • 指令变长会给取值、译码带来不便；取指过程可能涉及多次访存操作，下一条指令地址必须在指令译码后才能确定（也即没有顺序可言），增加了硬件实现难度；
    • ×86使用的就是变长指令系统；
  3. 后续指令系统举例部分还会讨论 CISC 和 RISC；

无论变长还是定长，指令字长都需要是字节的整数倍，才能存储在存储器中。按照指令字长和机器字长的关系，可将指令分为半字长指令、单子长指令和多字长指令。

  • 机器字长即byte / 字节，8位；
  • 指令字长即word / 字，长度与指令集有关，MIPS为32位定长，变长指令需要是byte的整数倍；
  • MIPS中一个字等于多少字节

此外关于 位、字节、字、字长：

  • 位（bit）
    “位”是计算机中的最小单位，它只表示一个二进制数 0 00 或 1 11。
  • 字节（Byte）
    转化：1 Byte = 8 bit.
    字节是计算机中数据处理的基本单位，用来单位存储和解释信息。一个字节固定由 8 个二进制位组成。
  • 字（word）
    概念：计算机进行数据处理时，一次存取加工和传送的数据长度。
    转化：1 字 = n Byte
    一个字通常为字节的整数倍（即 8 的整数倍）。
  • 字长
    一个字包含的位数，即 8n 位。

指令越长，占用内存 / 主存的空间就越大，访问所需时间越长：对于半字长指令，CPU访问主存一次可以读取两条，单字长一条，双字长则需要两个存储周期才能完成取指。

所以，长指令的取指速度慢，会影响指令执行速度，但多字长的指令能提供足够长的操作码字段和足够长的地址码字段，可以设计更多的指令、支持更多的指令格式、扩大寻址范围，功能上更加强大。

但为了提高速度，一般指令还是短一些好，即硬件设计原则一：越短越快。

02-2 指令地址码

地址码的意义有很多，可能是一个操作数，也可能是操作数的地址（包括操作数的内存地址、寄存器编号或者外部端口的地址），还可能是一个用于计算地址的偏移量（类似于数组），具体表示哪一种含义，要由寻址方式决定。

根据指令中含有的操作数地址的数量，可以将指令分为三地址指令、双地址指令、单地址指令和零地址指令。

  1. 三地址指令

    C语言中我们经常见到形如a=b+c;的式子。

    在底层指令中也相似，具有两个操作对象的运算叫做双目运算，包括两个源操作数和一个目的操作数，如果一条指令将三者的地址都给出，那么这种指令就是三地址指令。表达式为：

    \[A_3 \leftarrow (A_1)OP(A_2) \]

    意思是，将A1中的内容和A2中的内容进行OP操作，将结果存入A3。

    但是这种指令存在一种问题，设想如果我们的内存很大，三地址指令要对内存地址进行操作，那么用于表示内存地址的 Ai 的长度就会很大，总的指令长度也会变大。所以，3个地址码很少都用存储单元的地址码。常见的三地址指令（如MIPS的较大部分）的三个操作数均为寄存器。

  2. 双地址指令

    双地址指令仍然是基于双目运算设计，只不过是将运算结果继续存入第一个操作数地址A1中。表达式为：

    \[A_1\leftarrow (A_1) OP(A_2) \]

    意思是，A1为第一个源操作数，也是运算结果的目的地；A2是另一个源操作数。

    不同双地址指令指向的数据存储位置可能不同，有以下三种可能：

    • RR（Register - Register）型：源操作数和目的操作数均用寄存器存放；
    • RS（Register - Storage）型：源操作数和目的操作数分别在寄存器和主存中存放；
    • SS（Storage - Storage）型：两个操作数均在主存中存放。

    由于寄存器就在CPU中，且存储器的访问速度和CPU的速度存在很大差距，所以存储器的访问速度慢于寄存器，所以速度上RR最快，SS最慢。

    ×86计算机主要采用RR和RS，MIPS等RISC计算机中主要使用RR型。

  3. 单地址指令

    单地址指令主要有两类：

    • 单目运算类指令

      比如逻辑运算中的取反，表达式为：

      \[A_1 \leftarrow OP(A_2) \]

    • 隐含操作数的双目运算类指令

      为了缩短指令长度，设计者将双目运算符指令中的一个操作数规定隐含于CPU的某个寄存器（比如累加器AC）中，这样指令就可以只描述另一个操作数的地址，并将操作后的结果送到规定的寄存器，表达式为：

      \[AC\leftarrow (AC)OP(A_1) \]

      如80×86系列CPU中的乘法 Mul BL指令，表示将AL中的数据与BL中的数据相乘，结果存放在AX寄存器。

  4. 零地址指令

    这类指令中没有地址码，仅有操作码，主要有两类;

    • 不需要操作数的指令：
      • 比如为占位、延时而设置的空操作指令NOP、等待指令WAIT、停机指令HALT、程序返回指令RET等等；
    • 操作数被隐藏于寄存器的 “单地址指令”
      • 有一个操作数，但是被隐藏在寄存器，比如Intel8086压缩BCD编码的运算调整指令DAA；

02-3 指令操作码

操作码字段表示具体进行何种操作，不同功能的指令其操作码的编码不同，如可用0001表示加法，0010表示减法。操作码的长度就是操作码字段所包含的位数。有定长操作码和变长操作码两种。

  1. 定长操作码

    定长操作码不仅指操作码的长度固定，而且其在指令中的位置也是固定的。这种方式的指令功能译码简单，有利于硬件设计。

    操作码的位数取决于计算机指令系统的规模，指令系统中包含的指令数越多，操作码的长度就越长；反之就越短。假设指令系统包含m条指令，则操作码的位数 n 应该满足

    \[n \geq log_2m \]

  2. 变长操作码

    变长操作码中操作码的长度可变，而且操作码的位置也不固定，采用这种方式可以有效压缩指令操作码的平均长度，便于用较短的指令字长表示更多的操作类型，以寻址更大的存储空间。

    早期计算机指令字长较短，所以多采用变长操作码来争取表达更多的指令。例如PDP-11、Intel 8086，而 MIPS和RISC-V的部分类型指令也采用了这种方式。

扩展操作码技术：

是实现变长操作码的一种技术，基本思想是操作码的长度随地址码数目减少而增加。

下面是一个较为简单的扩展操作码的16位系统，长度固定，不同操作数指令的操作码长度不同。

三地址指令（括号里表示二进制位数）

OP(4) A1(4) A2(4) A3(4)

双地址指令

OP(8) A1(4) A2(4)

单地址指令

OP(12) A1(4)

零地址指令

OP(16)

但这个技术中有两点需要注意：

  1. 不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。（这样会无法分辨
  2. 各指令的操作码一定不能重复。

这就是说，前面的三地址指令的OP字段是不能把24种可能全部用完的，不然其余指令就没有余地设计了。以此类推。

通常情况下，对使用频率较高的指令分配较短的操作码，对使用频率较低的指令分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。（加速大概率事件）

03 寻址方式

依据存储程序的概念，计算机在运行程序之前须要把指令和操作数（数据）加载 / 存放到主存的相应地址单元中，运行程序时，CPU不断从主存来取指令和数据。

主存基于地址来访问指令和数据（形如一个巨型数组），所以要想拿到指令和数据，需要得到它们在主存中的地址（也称有效地址EA）。

寻址方式就是寻找指令或者操作数有效地址的方式。寻址方式是整个指令系统中的重要部分，对于指令集的性能有很大影响。

03-1 指令寻址方式

指令寻址方式有两种：顺序寻址方式和跳跃寻址方式。

03-1-1 顺序寻址方式

程序中的机器指令序列在主存中通常是按顺序存放的，大多数情况下，程序按照指令序列的顺序执行，因此在这种情况下，我们知道了当前指令的EA有效地址，再增加一个指令的长度（指令占用主存单元的数量 ，类比数组），就是下一条指令的位置了。这就是顺序寻址。

具体点说，如果某种指令系统的计算机用程序计数器PC（类似于指针）来保存指令地址（×86中为IP / EIP），每执行一条指令，用PC+1就能算出下一条指令地址。

特别说明，这个 “1” 就是指令长度，如果是32位的计算机中指令长度是32位（正好占用一个存储字），采用顺序寻址方式时下一条指令通过PC+4得到。（32bits = 4byte，字是寻址的基本单位）

03-1-2 跳跃寻址方式

当然，有时候程序并不是自上而依次运行的，如果出现分支和转移，就会改变程序运行顺序，这时候下一条指令就不一定是PC+1了，而需要通过指令本身以及其他的条件决定。比如无条件转移指令和条件转移指令均采用跳跃寻址方式。

03-1-3 图解程序计数器PC

程序计数器（pc）是这样子工作的，这里有一块存储器和一个程序计数器：

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从0开始执行，我们就需要在pc中写入地址0。执行完零号指令后，由于这是普通的取数指令，因此程序计数器自动+1，于是cpu开始执行指令1。

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以此类推...碰到跳转指令，也就是指令3，读取指令3后，PC跳转到地址7，去执行7这个地方的指令。

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03-2 操作数寻址方式

03-2-1 操作数寻址的情况及机制

操作数的来源有三种情况：参考博客1

  1. 立即数操作数，直接来自指令内部；
  2. 寄存器操作数，来自寄存器；
  3. 存储器操作数，来自存储器；

操作数的寻址方式也灵活复杂很多，有：立即寻址、隐含寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址、堆栈寻址。

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该如何实现操作数寻址呢？我们可以将地址码字段再分为寻址方式字段 I 和形式地址字段 D 两部分，比如说一个包含了寻址方式的单地址指令结构：

操作码OP 寻址方式I 形式地址D

寻址过程就是将 I字段 和 D字段 的不同组合转换为有效地址；I字段表示寻址的方式，形式地址需要根据寻址方式I的不同进行转换。

03-2-2 立即寻址

即I字段编码为立即寻址，D字段形式地址就是操作数本身，也即操作数存在指令里，在我们的课本中被译为立即数，在取值时操作数随该指令一起被送到指令寄存器里，寻址时直接从指令中获取操作数。

这种方式取操作数很快，但是指令字长有限，所以形式地址D长度也有限，所以操作数能表示的范围有限，一般用于变量赋值。

×86中的立即寻址的指令为：

MOV EAX,200BH

意为给寄存器EAX赋初值200BH。

03-2-3 隐含寻址

隐含寻址不直接给出操作数的地址，而是在指令中隐含操作数的地址。

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像上面这个图中，形式地址A取出了对应的一个操作数，而另一个操作数则隐含在了ACC中。

03-2-4 直接寻址

直接寻址方式中操作数存放在主存里，操作数地址由形式地址字段D给出，不需要其他计算来获得地址。

不足在于：寻址范围受限于形式地址字段D的长度；数据地址放在指令中，程序和数据在内存中的存放位置也受到限制。

比如×86的直接寻址方式：

MOV EAX,[200BH]

意为将主存中200BH位置的内容送进寄存器EAX里。

03-2-5 间接寻址

相对直接寻址而言，间接寻址D给出的不是操作数的有效地址，而是操作数的间接地址：操作数有效地址所存放的存储单元的地址（地址的地址，联系指针）。

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×86的间接寻址指令：

MOV EAX,@2008H 
#@是间接寻址标志

意为去2008H这个地方找操作数的地址，在拿这个地址去找操作数。

假设计算机指令字长32位，形式地址字长16位，如果用直接寻址，则寻址空间是216=64K；而如果采用间接寻址，操作数地址放在主存中，寻址空间232=4GB。

可见，间接寻址扩大了寻址范围，可以用较短的形式地址访问较大的内存；相对于直接寻址更加灵活，操作数地址改变时不需改变指令中的形式地址字段，只需改变形式地址指向的主存单元内容即可。

但是，间接寻址访问了两次主存，降低了指令的执行速度，目前更常用的是寄存器间接寻址。

03-2-6 寄存器寻址

这种方式是最常用的寻址方式。和直接寻址原理相近，只是把访问主存改为访问寄存器。

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寄存器寻址不需要访问内存，指令执行速度快；所需的地址码较短，有利于缩短指令长度，节省存储空间。但是CPU中寄存器数量也较少，不能同时存储太多操作数。

×86中的寄存器寻址指令为：

MOV EAX,ECX

意为将寄存器ECX中的内容送入EAX中。

03-2-7 寄存器间接寻址

和访问主存的间接寻址原理相同，只不过是操作数的有效地址（主存地址）存放在寄存器中，而形式地址D表示的是存放操作数地址的寄存器的编号。

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由于第一次访存是访问寄存器，相较于间接寻址速度要快一些。

×86的寄存器间接寻址指令：

MOV AL,[EBX]

意为按照寄存器EBX中的地址访问主存相应位置，取出该位置的内容（操作数地址），再去找到操作数，送入AL寄存器中。

下面介绍偏移寻址的三种方式。简单讲即通过加法计算出有效地址。在思想和形式上更类似于数组的基址偏移，各自的不同是 “数组的基址” 不同。相对于前几种比较复杂，对比思考起来也有难度。

03-2-8 基址寻址

基址寻址是用一个寄存器（BR / EBX / EBP，EBX操作数在数据段，EBP操作数在堆栈段）来放基地址（这个不变），指令中形式地址D存放地址的变化值（偏移量），所以EA = R[BR] + D；

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当然也可以不用BR寄存器，使用通用寄存器的话，需要在指令中留一段编码（R0）指向这个通用寄存器，如下图：

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可见这种方式也使用了一点隐含寻址，基址寄存器没有在指令中显式指出。基址寻址的优点是扩大寻址范围，以前D表示地址，现在D表示偏移的多少，显然变得很大。

×86的基址寻址指令为：

MOV EAX,[EBX+SI]

但是在一个循环语句中，基址寻址有一定的局限性，

03-2-9 变址寻址

与基址寻址正好相反，变址寻址指定一个寄存器来存放地址的变化量，而形式字段D来作为基址（基准量），形式地址字段D中还会有一段来指示变址寄存器的编号。EA = R[X] + D。

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所以变址寻址中，存放变化量的寄存器的内容可变，D字段不可变。变址寻址常用于有规律的操作：如对线性表之类的数组元素进行重复访问，只需将线性表的起始地址作为基址赋值给形式地址D，让变址寄存器的值按顺序遍历，就可以完成对线性表的遍历。

×86中变址寻址的指令为：

MOV EAX,32[ESI]

意为将变址寄存器ESI的值加上偏移量32作为地址访问主存，再送入EAX中。

03-2-10 相对寻址

把程序计数器PC中的内容加上指令中的形式地址D，产生操作数的有效地址。即 EA = PC + D。D相当于偏移量。

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至于为什么是PC程序计数器呢？这跟基址寻址有什么区别呢？可以回忆一下03-2-8的基址寻址，在基址寻址中，我们只能得到操作数的地址，而不能得到操作数后就跳转到下一条指令，而使用相对寻址就可以在取指时通过PC的自增实现指令的顺序跳转。

03-2-11 偏移寻址三种方式的对比思考

这个回头再整理，肝不动了

03-2-12 堆栈寻址

堆栈寻址就是寻找放在堆栈中的操作数。具体根据堆栈的类型分为内存堆栈寻址和寄存器堆栈寻址。

  1. 内存堆栈寻址 / 软堆栈

    为了保证对于空间的需求，计算机一般使用的是存储器堆栈，设置一个栈顶指针寄存器(SP)指向栈顶单元（存储栈顶单元的地址），以字节为单位进栈出栈，进栈出栈的操作由SP指针加减完成，其过程与数据结构中相同，只不过。

    • 入栈：SP = SP - 1，M[SP] = R；
    • 出栈：R = M[SP]， SP = SP + 1；

    如果出栈和入栈的数据单位不同，SP每次加减的量也不同，比如32位的数据入栈，就要 SP = SP - 4 ；图源博客：计算机组成原理学习笔记（六）：指令系统

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    内存堆栈又可以分为两种，向上生长（向高地址方向 / 递增堆栈）和向下生长（向低地址方向生长 / 递减堆栈）。上面的例子都是基于向下生长。栈向什么方向增长取决于OS和CPU。具体在这不做深入。

    参考：ARM堆栈寻址

  2. 寄存器堆栈寻址 / 硬堆栈

    为了保证对于速度的需求，还有一些计算机设计了寄存器堆栈，寄存器不按地址访问，所以不设置栈顶指针，栈顶寄存器不能移动，移动的是数据。

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两种堆栈中，寄存器堆栈虽然很快，但成本较高，不适合做大容量的堆栈；内存堆栈虽然速度较慢，但是成本低。而从主存中划出一段区域来做软堆栈是最合算且最常用的方法。

寄存器堆栈必须使用专门的堆栈指令，内存堆栈不一定，可以有其他的替代方法。

在采用堆栈结构的计算机系统中，大部分指令表面上都表现为无操作数指令的形式，而在操作数地址中隐含了SP寄存器。通常情况下，在读 / 写堆栈中的一个单元的前后都伴有自动完成对SP内容的增量或减量操作。

03-2-13 其他寻址以及指令集具体实现

将前面的几种寻址方式排列组合，可以继续得到一些复合的寻址方式，主要用于复杂指令集中：

  1. 变址 + 间接寻址方式：

    先进行变址寻址再进行间接寻址。即把变址寄存器X中的变化量与指令中的形式地址D（基址）相加，得到存储操作数地址的地址。

    形式为： EA = (R[X] + D)

  2. 间接 + 变址寻址方式：

    先间接再变址寻址。即根据形式地址D的内容得到存储偏移量的地址，找到这个地址后，再跟变址寄存器中的内容（基址）相加得到操作数的地址，再去拿操作数。

    形式为： EA = R[X] + (D)

  3. 相对 + 间接寻址方式：

    先相对再间接寻址。即先把PC中的基址与D中的偏移量相加，再间接寻址等等。

对于某种具体的指令集，可能只实现了以上的一部分，以及它们的一些组合。并且前面所有都是以单地址指令为例，如果是多地址指令，可能每个地址段都有不同的寻址方式。

04 指令类型

虽然不同的指令集设计思想、性能、结构不尽相同，但是都应当具备一些基本的指令类型：

04-1 算术 / 逻辑运算指令

主要作用是进行各类数据信息处理，这也是CPU最基本功能，常见的基本指令有：与、或、非、异或（逻辑运算），定点、浮点的加减乘除（算术运算），以及求补、比较等等。

为了追求硬件简单，计算机可能只支持上面中最基本的指令，甚至连乘除都不一定会有（因为乘除也是通过加法实现的）；而如果旨在提高性能，就会有乘除、开方、多项式计算、浮点运算、十进制运算等。

04-2 移位操作指令

包括算术移位、逻辑移位和循环移位三个指令。算术移位和逻辑移位主要用于控制符号数和无符号数的移位；循环移位主要用于实现循环式控制、高低字节互换，以及多倍字长数据的算术移位和逻辑移位；根据是否带上进位位一起循环分为带进位循环和不带进位循环。

04-3 数据传输指令

主要用于数据传送操作，比如寄存器和寄存器之间、寄存器和存储器之间的数据传送。有的指令集设计了通用的MOV指令，而另一些只设计了Load和Store指令，仅用于访存。

04-4 堆栈操作指令

是特殊的数据传输指令，主要包括压栈和出栈两种。有些指令集不设置专门的压栈和出栈指令，而用访存指令和堆栈指针运算指令代替堆栈操作指令，而另一些指令集甚至设有多数据的压栈、出栈指令。

这类指令主要是用于程序调用函数的参数传递过程等。

04-5 字符串操作指令

用于在硬件层面直接支持处理非数值。主要包括字符传送、字符串比较、字符串查找、字符串抽取、字符串转换等指令。

04-6 程序控制指令

用于控制程序的执行顺序和运行方向。主要包括转移指令、循环控制指令、子程序调用返回指令。

  • 转移指令
    • 无条件跳转
    • 条件跳转
      • 条件符合，转移到指令指定的地址继续运行；
      • 条件不符合，继续原顺序执行；
  • 循环控制指令
    • 是增强版的转移指令，兼具循环变量修改、条件判断、地址转移功能。
  • 子程序调用与返回指令
    • 子程序调用指令也称过程调用指令。
      • 会给出子程序的入口和子程序返回主程序的地址（断点），当然，需要保存这个断点，比如压入堆栈。
      • 用于调用公用的子程序，如MIPS的jal、×86的call指令。
    • 子程序返回指令
      • 从压入堆栈中取出断点地址送入程序计数器PC，返回断点处继续主程序。
    • 与转移指令的区别在于：
      1. 转移指令在同一程序内，子程序调用指令实现不同程序之间的转移。
      2. 转移指令不需要返回原处，而子程序调用指令还需要保护断点地址来确保返回。
      3. 都是无条件的，条件转移需要条件。

04-7 输入输出指令

用于实现主机和外部设备之间的信息传送，读取外部设备的工作状态、控制外部设备工作等；如果外部设备和主存采用统一编址模式，则不需要设置专门的I/O指令，直接用访存指令即可。

04-8 其他指令

其他指令包括停机、等待、空操作、特权等其他控制功能的指令。

特权指令主要用于资源分配管理，一般不直接给用户使用。

05 指令格式设计

现在我们已经了解了指令集的一些特征和运作机制，在开始介绍具体的指令集之前，如果要我们自己设计一种指令集，我们应当考虑哪些方面？

从宏观上讲，这个指令集要完备、要规整、要有效、要具备兼容和扩展性，最重要的是要有合理的指令格式，这决定了软硬件两方面后续工作是否因此变得简化和便捷。

指令一般由操作码和地址码组成，我们首先要确定指令编码格式，然后确定操作码和地址码各自的长度以及组合形式。最后是寻址方式。

  1. 指令编码格式设计

    即决定指令集的指令采用定长、变长还是混合编码指令。定长和变长均在02指令格式部分有所介绍，混合编码指令格式是定长和变长两种指令结构的综合，提供若干长度固定的指令字，既能减少目标代码的长度，也能降低译码复杂度。

  2. 操作码设计

    操作码的编码比较直观，只需要把指令情况全部编码即可，此外要考虑指令编码格式是变长还是定长，要保证两条指令之间在硬件电路译码时不能相互冲突。

  3. 地址码设计

    地址码要为指令提供操作数，通常还需要考虑寻址方式，尽量利用有限的位宽提供更大的范围。

  4. 寻址方式设计

    寻址方式前面提到过，可以放在操作码字段中编码，也可以在地址码中单独设置一段来指示寻址方式。

06 指令系统举例

这部分本想放在前面，但里面的一些术语需要了解了指令系统才能更好明白。

06-1 发展历程

  • 1970年 DEC发布PDP-11指令集，1992年推出ALPHA(64位)
  • 1978年 Intel发布了×86指令集，2001年推出IA64
    • ×86依托Intel，控制了电脑产业链
  • 1980年 IBM推出PowerPC
  • 1981年 诞生MIPS指令集
    • 很美很学术，但是生态系统分裂，没有形成合力
  • 1985年 SUN推出SPARC
  • 1991年 arm推出第一版arm
    • 依靠IP授权，在手机领域应用广泛
  • 2016年 RISC发布开源RISC-V，是MIPS的改进，两者差别不大
  • 2020年 龙芯推出LoongArch
    • 面对制裁下的“丢掉幻想”

06-2 指令集分类

就是著名的CISC和RISC。CISC是指 Complex Instruction Set Computer / 复杂指令集计算机；而RISC是指 Reduced Instruction Set Computer / 精简指令集计算机。它们分别采用了不同的设计理念。

06-2-1 复杂指令系统计算机 / CISC

基于大规模集成电路的不断发展，硬件成本不断降低，而上层软件成本不断提高（需求在变复杂），因此，计算机设计者在设计指令系统时，着重考虑为上层软件服务，增加了许多功能强大的复杂指令，以及更多的寻址方式，来满足上层软件不同的需求，具体表现为：

  • 更支持高级语言
    • 语义更加接近高级语言，
  • 简化编译器工作
    • 编译器将高级语言翻译为机器语言，当机器语言接近高级语言，编译器的工作会变简单。
  • 支持操作系统的更多功能
    • 复杂的指令更满足操作系统更复杂的功能，比如操作系统的多媒体、3D功能
  • 支持实现更多的指令
    • 指令虽然有定长和变长两种，但长度不可能是无限长的，要在有限长的空间中表达出更多的指令，只能压缩地址码长度，因此需要设计更多的寻址方式
  • 满足指令集更新和软件兼容
    • 同一系列的计算机，为了使软件兼容新旧计算机，指令系统只能扩充而不能删减已有指令，所以指令数量越来越多，而CISC更适合指令集的扩充；

CISC的特点有：

  1. 指令集复杂、庞大，指令数目繁多（上百条近千条）；
  2. 指令不定长，格式多、寻址方式多；
  3. 访存指令没有限制；
  4. 各个指令使用频率相差会很大；
  5. 各个指令执行时间相差会很大；
  6. 微程序控制器被广泛使用；

06-2-2 精简指令集计算机 / RISC

RISC是在继承CISC的成功技术和克服一些缺点的基础上发展起来的。早期被提出是因为在研究中人们发现，复杂指令集虽然可以支持强大的功能，但是内部格式过于复杂，指令格式很不规范，并且，80%的程序只用到了20%的指令，而如果看过我的上一篇，加速大概率事件是一种硬件设计应当遵循的原则，所以我们可以只设计20%或多一点的指令，对这些指令的格式进行优化，使其格式规范、寻址方式简洁，再由多条简单指令凑出复杂指令的功能。

RISC的特点有：

  1. 优先选用使用频率最高的简单指令，以及一些有用而不负责的指令，避免直接使用复杂指令；
  2. 大多数指令在一个时钟周期中完成；
  3. 规定仅由 load & store 指令访问主存，其他指令只能基于寄存器操作数处理；
  4. 着重面向寄存器操作，因此CPU内部寄存器较多（32 / 64）；
  5. 长度固定，寻址方式和指令格式简单，逻辑实现方便，使得控制器速度提高；
  6. 注重编译优化，力求有效支持高级语言；

06-2-3 两种指令集简单对比

CISC倾向于服务软件，对于指令集的设计优先支持软件，同时寄存器较少（早期，目前由于硬件设计技术的进步，寄存器也变多了)，这照顾了硬件设计的难度（寄存器太多，线路过长，硬件成本会上升、信号传递时间也会上升）。其优化的思路是简化指令系统，通过额外的指令微程序控制器，来实现复杂指令逻辑的正常运作。

常见有Intel ×86，IA64；

RISC更兼顾软硬件需求，基本思想是选取使用频次高和有用的指令，设计简单规范的基本指令，再由基本指令组装成为复杂指令，实现复杂功能。其优化的思路是简化指令本身，使计算机的结构简单合理，降低单条指令的执行时间 / 执行周期数（可以达到一周期一条指令甚至多条指令运行），对于硬件来说，逻辑的简化也简化了硬件电路的设计，而增加了寄存器数量，会对硬件设计造成一定的压力。

常见有ARM、MIPS、RISC-V。

06-3 指令集优劣

评估一个指令集会从以下两个方面进行：

  1. 是否方便CPU的硬件实现；高性能、低功耗；
  2. 是否方便编译器、操作系统、虚拟机的实现和开发；

07 简单总结 | Review

这个部分比我想象的更长，介绍了一个指令集的特征以及工作模式，提了提设计一个指令集应该考虑什么问题，然后介绍了各种已成名的指令集。

  1. 指令格式，指令码和地址码。
  2. 寻址方式，各种寻址方式的实现机制。
  3. 指令种类，指令集需要一些基本的指令，也会有其他用于支持复杂功能的指令。
  4. 各种各样的指令集，CISC和RISC的对比。

感觉还是在填计基的坑。下一篇讲解MIPS的指令可能就会轻松一点。

posted @ 2022-04-14 20:27  climerecho  阅读(1145)  评论(1)  编辑  收藏  举报