2024王道考研计算机组成原理——指令系统

零、本章概要

指令寻址：解决的是PC+"1"的问题
数据寻址：使用寄存器/内存/结合

基址寻址：用于多道程序的并发执行
直接寻址：call 0x12345678
变址寻址：esi edi用于循环，因为使用直接寻址需要一堆地址很麻烦，速度也慢
相对寻址：地址针对的是相对于PC的位置，在代码位置发生改变的情况下用于实现跳转
PSW就是EFLAGS

x86汇编：
使用cmp+jnz(等)实现跳转指令；cmp会修改PSW的内容，jnz指令执行的适合会根据psw来判断需不需要跳转
循环语句：for(int i=0;i<10;i++){s+=arr[i];}：i++后面紧跟cmp
函数调用底层实现：
堆栈平衡：函数调用前后esp和ebp的位置不变，一个线程内的所有函数共用一个堆栈
x86的push和pop默认是按照4字节压栈/出栈的

esp指向的是栈顶的位置(有元素)

push eax：①先sub esp,4 ②再mov [esp],eax

pop eax：①先mov eax,[esp] ②再add esp,4

call eax：①push eip ②jmp eax

ret：pop eip（默认是ret 4）
真实的函数堆栈以及函数调用(见C语言函数调用的汇编视角)
CICS和RISC指令集的对比

一、指令格式 

操作码：做什么 地址码：对谁做

当然停机指令特殊，不需要地址码，就是执行一个特殊的命令而已

Intel的CPU使用的是x86架构，x86架构的指令集和AMD的指令集是不兼容的，不能跨不同指令系统的机器执行，苹果公司宣布要抛弃Intel的CPU，转而开发自己的基于ARM架构的CPU，这样手机和电脑就能通用了

了解即可：

堆栈型计算机通过零地址指令来进行算术运算：操作数是隐藏在栈里面的，而不会显示地在栈中指明，扫描到操作符就相当于扫描到了一个零地址指令，会把操作数计算/弹出堆栈

所有指令访存次数都要加上取指令的那一次 

注意：指令字长的长度是可变的(但是得是比如1B的整数倍)，机器字长和存储字长都是不可变的

如果指令字长超过机器字长的话就需要多次的取指令操作，CPU可以根据操作码的类型来判断

我们所有的指令都是遵循操作码+地址码这种格式，只是地址码有可能为0，只有操作码这种情况出现，表示仅执行一次特殊的操作

二、扩展操作码指令格式

操作码全1用于区分是几地址指令

这里重点讨论的是n位操作码，能表示2^n种对于3/2/1地址的操作

三地址：15条0000-1110 A1 A2 A3

二地址(12条)：1111 0000-1011 A1 A2

一地址(62条)：1111 11 000000-111101 A1

零地址(32条)：1111 11 11111 00000-11111 

cpu分析指令的时候就根据前几位是1来判断他是几地址指令

三、指令寻址 

PC+“1” 

指令系统采用定长指令字结构： 定长指令+可变长操作码

因为每一条指令的长度是确定的，所以+"1"即可处理下一条指令

指令执行的时候先读入一个字 

这里我想给大家重点讲解一下！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

你CPU不是要从内存当中取指令吗？因为CPU一次最多只能同时处理一个字的数据，你就直接去指令所在的内存单元(在PC里存放地址)去取出一个字的内容，但是啊这一个字不是都有效啊！我CPU处理第一个字节的时候发现是55，后面直接扔掉就是了，然后根据55我就能知道这条指令的长度了，也就能知道PC应该加几了！然后可以继续去取下一条地址了！！！！！！！！

四、数据寻址 

根据寻址特征和形式地址可以确定操作数的真实地址(EA)

了解即可，不用看： 

立即寻址：立即数#010

直接寻址：call 0x12345678

间接寻址：lea [0x123456]，地址放在某个内存单元里面

寄存器寻址：push ebp；mov eax,ecx

寄存器间接寻址：push [eax+4]

基址寻址就是用于多道程序并发执行的 

直接寻址的bug：要用一堆地址

如何解决？ esi edi就是变址寄存器，用于实现循环：rep stosw 

直接寻址：地址是几就是几，你位置移动也是跳到2那里

（如何解决这个问题？）

你移动代码对顺序执行的指令没啥影响，但是跳转指令难绷啊😂😂😂 

所以只要修改跳转指令的解释方式：因为PC会自动+1，所以使用-4(补码)来指示当前的CPU情况下应该跳转到哪里去执行

转移指令使用的都是相对寻址！！！

基址寻址：整个代码在内存当中的浮动；相对寻址：一段代码在程序内部的浮动 

比较(相减)和跳转是分开的

PSW就是我们熟悉的ELAPGS

五、x86汇编语言基础

指令格式是什么样的取决于你的CPU，硬编码就是指令集里面的指令

55就是opcode，66就是前缀，CPU根据值来判断

55为啥是push ebp而不是push bp和当前CPU的模式有关，x86的保护模式默认是32位

前缀指令分成4个组，每个组有n个最多出现一个

定长指令:opcode确定了，指令的长度就确定了

变长指令：即使opcode确定了，指令的长度依然无法确定

opcode决定了有没有ModR/M，也决定了是不是定长指令

比如opcode是88那它后面一定根一个opcode

地址偏移和立即数

比如这种考题：

为啥x86汇编语言不允许两个操作数都同时来自主存？

1、指令长度太长了

2、访问2次主存太慢了吧。。。

 

x86：intel的8086/80286 80386

一条指令由操作码和若干地址码组成

进行除法运算的时候要对被除数进行位扩展：32->64(edx:eax) ，商存入eax，余数存入edx

intel格式(Windows)&AT&T(Linux&Unix)格式(汇编格式)

六、C语言选择语句的汇编实现

在x86当中IP就是PC

和前面提到的一样，我们这样写汇编代码，但是其实最后变成机器码的时候他会给我们翻译成与PC有关的指令，这样代码段即使移动位置，当PC指向这条语句的时候也能够跳转到正确的地址(使用PC+一个补码)

使用标号可以更方便程序员去编写汇编代码，最后编译器要做的就是把这个标号改成对于的地址

条件转移指令通常与cmp指令配合食用🤣🤣🤣 

switch语句：离散情况不生成大表和if...else效率一样，连续的时候生成大表，先比较数值-1超过第二大的数就直接跳到default，否则直接根据edx*4+func(函数首地址) 来去查大表，直接得到跳转地址而不用像if..else那样进行多次的比较！！！

只有特定的指令(比如运算指令，和ALU有关，本质上不就是加法器那些产生的符号位吗？)才会修改PSW寄存器里面的标志位，cmp指令本质上就是做了一个减法(但是结果不保存，只改变符号位)，产生了符号位，然后条件转移指令再根据减法所产生的标志位(去PSW寄存器中获取)来决定要不要进行跳转！！！

六、C语言循环语句的汇编实现

i++后面紧跟的就是cmp，一旦越界就跳出循环

for：①先初始化，第一次直接判断是否跳出循环

②循环主体&i++③cmp i ,cnt(没结束就往上跳是for循环的一大重要特征！)

七、C语言函数调用的汇编视角 

  

x86的push和pop默认是按照4字节压栈/出栈的

esp指向的是栈顶的位置(有元素)

push eax：①先sub esp,4 ②再mov [esp],eax

pop eax：①先mov eax,[esp] ②再add esp,4

call eax：①push eip ②jmp eax

ret：pop eip（默认是ret 4）

真实的堆栈以及函数调用：

所谓堆栈平衡就是函数调用前和调用后esp和ebp的位置保持不变！ 

试试看能不能画到堆栈平衡？

外平栈(默认采用的调用约定)：cdcall(右左，外平栈:add esp,8)

内平栈：stdcall(右左，内平栈:ret 8(相当于add esp,8))

注意：一个线程里面的所有函数都使用同一个堆栈

int main(){

fun(2,3);  push 3 push 2 call fun(push eip + jmp fun)

} 

fun:

八、CICS和RISC指令集的对比

你RISC只能通过寄存器来访存，寄存器可不得比CICS多吗？