指令系统

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指令（机器指令）是指示计算机执行某种操作的命令。一台计算机中所有指令的集合构成指令系统，或称指令集。

指令基本格式

指令是一串而二进制代码，通常包括 操作码字段 和 地址码字段。

根据长度可以分为半字长指令、单字长指令或双字长指令。

根据操作数地址码的数量可以分为零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令等。

info

这些指令可能会有某些 隐含操作，如对于零地址指令其将两个操作数从栈顶弹出再将结果入栈等。

若在一个指令系统中所有操作码的长度相同，则成为 定长指令，其执行识别 速度快，控制简单。

扩展操作码指令格式

为了在字长有限的情况下增加指令种类，可以采用 可变长度操作码，但会增加指令译码和分析的难度。

最常见的变长操作码方法就是 扩展操作码，具体方法为短码占用一定的前缀，而长码的前缀不能和短码重复，这样译码时可以根据前缀判断是短码还是长码。

一般对使用频率高的指令分配短的操作码，使用频率低的指令分配长的操作码，后面会有分配方法。

指令的操作类型

按照功能可以分为一下几类：

1. 数据传送，通常有寄存器间的传送（MOV）、内存读取到寄存器（LOAD）、寄存器写入内存（STORE）等；
2. 算术和逻辑运算，加（ADD）、减（SUB）、乘（MUL）、除（DIV）、比较（CMP）、加一（INC）、减一（DEC）、与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等；
3. 移位操作，算术移位、逻辑移位、循环移位等；
4. 转移操作，无条件转移（JMP）、条件转移（BRANCH）、调用（CALL）、返回（RET）、陷阱（TRAP）等；
5. 输入输出操作，用于完成 CPU 和外部设备之间的交换数据或传送控制命令及状态信息。

指令寻址方式

指令中地址码字段并不是操作数的真实地址，这种地址被称为 形式地址（A），通过寻址才能找到其在存储器中的真实地址，被称为 有效地址（EA）.

（A） 表示地址为 A 的数值，即该地址中所存放的数据内容。

指令寻址

指令寻址有两种方式：

1. 顺序寻址，即程序计数器加一，自动形成下一条指令的地址；
2. 跳跃寻址，通过转移类指令实现，跳跃地址分为 绝对地址（由标记符直接得到） 和 相对地址（相对于当前指令的偏移量），跳跃的结果是当前指令修改 PC 值，因此下条指令还是由程序计数器给出。

数据寻址

隐含寻址

默认操作数的地址为特定的寄存器，如累加寄存器 ACC，优点是有利于缩短指令字长，缺点是需要增加存储操作数或隐含地址的硬件。

立即（数）寻址

地址码表示的不是操作数地址而是 操作数本身。

直接寻址

$EA=A$，地址码就是有效地址，优点是简单，指令执行阶段仅访问主存一次，缺点是寻址范围有限，取决于 $A$ 的位数。

间接寻址

$EA=(A)$，有效地址是形式地址的中所存的数，可以有多次间接寻址（需要根据主存内容最高位来定，若是 1 表示仍然需要再进行间接寻址，直到最高位为 0）。

间接寻址的优点是可以扩大寻址范围，但是要多次访问主存，由于访问速度满，不太常用，一般提及扩大寻址范围常用 寄存器间接寻址。

寄存器寻址

操作数直接存放在寄存器中，优点是执行阶段无需访存，速度快，支持向量/矩阵运算，且指令字短，但是寄存器价格昂贵，数量少。

寄存器间接寻址

此时寄存器中存放的是操作数在主存当中的地址，需要一次访问。

相对寻址

$EA=(PC)+A$，以程序计数器 PC 的内容为基准，加上形式地址得到最终的有效地址，广泛应用于 转移指令。

相对寻址中形式地址使用补码表示，可正可负。

基址寻址

CPU 中基址寄存器（BR）的内容加上形式地址形成有效地址，$EA=(BR)+A$，其中基质寄存器可以是专用寄存器也可以是通用寄存器。

基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定，主要用于解决程序逻辑空间与存储器物理空间的无关性。程序执行过程中，基址寄存器 中的内容作为基地址 保持不变，形式地址可变，当使用通用寄存器作为基址寄存器时，用户可以指定哪个通用寄存器作为基址寄存器，但是其内容仍然由操作系统决定。

优点：寻址范围大，用户不必考虑程序存于主存的哪个位置，有利于多道程序设计，可用于编制浮动程序（即程序可以从主存中的一个区域移动到其他区域）。

缺点： 偏移量的位数较短。

变址寻址

CPU 中变址寄存器（IX）的内容加上形式地址形成有效地址，$EA=(IX)+A$，同样可以用专用寄存器和通用寄存器。

变址寄存器是面向用户的，程序执行过程中，变址寄存器内容可变，形式地址保持不变（充当基地址）。

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可以应用于数组处理的过程，如将基地址设为数组起点，变址寄存器存放偏移量用于索引。

优点：寻址范围大，方便处理数组问题。

堆栈寻址

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堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的、按后进先出原则管理的存储区，其中读写单元的地址由堆栈寄存器（SP）给出。

堆栈可以分为硬堆栈（寄存器堆栈）与软堆栈（主存堆栈），前者成本高，容量小，后者更划算和常用。

采用堆栈结构的计算机中，大部分指令都表现为无操作数指令的形式，因为其往往隐含使用了 SP.

程序的机器级代码表示

相关寄存器

x86 处理器中有 8 个 32 位通用寄存器，如下表：

31-24	23-16	15-8	7-0
		AH	AL
		BH	BL
		CH	CL
		DH	DL
ESI	ESI	ESI	ESI
EDI	EDI	EDI	EDI
EBP	EBP	EBP	EBP
ESP	ESP	ESP	ESP

按照行的顺序进行解释：

1. 累加器 AX，占据 16 位，并且可以分为高位 AH 和低位 AL，整个 32 位被称为 EAX，这里的 E 表示拓展 Extended 的意思，高 16 位和低 16 位也可以分开使用，下同；
2. 基地址寄存器；
3. 计数寄存器；
4. 数据寄存器；
5. 变址寄存器，长度 32 为，下同；
6. 变址寄存器；
7. 堆栈基指针，和堆栈相关的指针一般不能随意使用，而其他寄存器都是可以的，下同；
8. 堆栈顶指针。

汇编指令格式

一般有两种汇编格式：AT&T 格式和 Intel 格式，主要区别如下：

1. AT&T 的指令只能使用小写字母，而 Intel 指令对大小写不敏感；
2. AT&T 中第一个为源操作数，第二个为目的操作数，Intel 则相反；
3. AT&T 中寄存器前面需要加 %，立即数前需要加 $，Intel 中则都不需要；
4. AT&T 使用 ( 和 ) 进行寻址，Intel 中使用 [ 和 ] ；
5. 在处理复杂寻址时，AT&T 中的内存操作数为 disp(base,index,sacle)，分别表示偏移量、基址寄存器、变址寄存器和比例因子，如 8(%edx, %eax, 2)，表操作数为 M[R[edx] + R[eax]*2 + 8]，其对应的 intel 格式为 [edx + eax * 2 + 8]；
6. 在指定数据长度时，AT&T 在操作码后紧跟一个字符，b 表示 byte 、w 表示 word、l 表示 long（双字），Intel 则表明 byte ptr 、word ptr 、dword ptr.

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由于 $32$ 或 $64$ 位体系结构都有 $16$ 位扩展而来，因此字指的是 $16$ 位。

常用指令

汇编指令可以分为 数据传送指令、逻辑计算指令 和 控制流指令。

下面介绍用于操作数的标记：

1. <reg>，表示寄存器，后面跟数字表示其位数，下同；
2. <mem>，表示内存地址；
3. <con>，表示常数；

下面以 Intel 格式为例进行介绍。

数据传送指令

名称	格式	功能	备注
mov	mov <reg>|<mem> <reg>|<mem>|<con>	将第二个操作数复制到第一个操作数	不能直接用于从内存复制到内存
push	push <reg32>|<mem>|<con32>	将操作数压入内存的栈中，常用于函数调用。	栈元素固定为 32 位
pop	pop <reg> | [<var>]	将栈顶弹出送入寄存器或指定的内存地址中

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$x86$ 架构中，栈是从高地址向低地址增长的，栈顶 $ESP$ 的增长方向与栈实际增长方向相反，若入栈，$ESP$ 应该减去 $4$（$32$ 位）（字节）。

算术和逻辑运算指令

名称	格式	功能	备注
add/sub	add/sub <reg>|<mem> <reg>|<mem>|<con>	将两个操作数相加/减，结果存入第一个操作数中，减法为第一个操作数减第二个	同样不能直接对内存中的两个操作数进行运算
inc/dec	inc <reg>|<mem>	对操作数自增/减
imul	imul <reg32> <reg32>``<mem>	带符号整数乘法，将两个操作数相乘，结果存在第一个操作数	第一个操作数必须为寄存器，乘法结果溢出则 OF=1
	imul <reg32> <reg32>|<mem> <con>	将后面两个操作数相乘存入第一个	第三个操作数必须为常数？
idiv	idiv <reg32>|<mem>	带符号整数除法，只有一个操作数作为除数，被除数在 edx: eax 中，商被送入 eax, 余数被送入 edx	被除数是 64 位整数
and/or/xor	and/or/xor <reg>|<mem> <reg>|<mem>|<con>	位操作，结果送入第一个操作数	同样不能直接对两个内存中的操作数运算
not	not <reg>|<mem>	按位取反
neg	neg <reg>|<mem>	取负
shl/shr	shl/shr <reg>|<mem> <cl>|<con8>	逻辑左/右移，第二个操作数表示移位的位数

控制流指令

名称	格式	功能	备注
jmp	jmp <label>	控制 IP 跳转到指定的 label 所指示的地址
jcondition	jcondition <label>	条件转移指令，根据 CPU 状态字的一系列状态转移
je		相等时跳转
jne		不相等时跳转
jz		上个运算结果为 0 时跳转
jg		大于时跳转
jge		大于等于时跳转
jl		小于时跳转
jle		小于等于时跳转
cmp/test	cmp/test <reg>|<mem> <reg>|<mem>|<con>	cmp 用于比较两个操作数的值，test 用于两数进行逐位运算	不保留操作结果，仅根据运算结果设置 CPU 状态字中的条件码，常和 jcomdition 搭配使用
call	call <label>	调用子程序（过程、函数等）执行
ret	ret	子程序返回

过程调用的机器级表示

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$call$ 和 $ret$ 指令主要用于过程调用，属于一种无条件转移指令，过程调用可以认为是高级语言中的函数调用。

过程转移指令的执行步骤如下所示，其中调用者为 $P$，被调用过程为 $Q$ ：

1. $P$ 将 入口参数（实参）放在 $Q$ 能访问到的地方；
2. $P$ 将 返回地址 保存到特定的地址，然后将控制转移到 $Q$（call 指令）；
3. $Q$ 保存 $P$ 的现场（通用寄存器的内容），同时为 $Q$ 中的非静态局部变量分配空间；
4. 执行 $Q$；
5. $Q$ 恢复 $P$ 的现场，将返回结果放到 $P$ 能访问的地方，同时释放局部变量；
6. $Q$ 取出返回地址，将控制交换 $P$（ret 指令）。

上述步骤中所需要的入口参数、返回地址、现场、局部变量等，都存储在一个专门的区域中—— 栈。

$EAX$、$ECX$ 和 $EDX$ 是调用者保存寄存器，其保存和恢复的过程由 $P$ 控制，$P$ 调用 $Q$ 时，$Q$ 可以直接使用这些寄存器，同样，$EBX$、$ESI$、$EDI$ 是被调用者保存寄存器，$Q$ 必须先将它们的值保存到栈中才能使用，并在返回前恢复。

每一个过程所占据的栈区被称为 栈帧，帧指针寄存器 $EBP$ 指示栈帧的起始位置（栈底），栈指针寄存器 $ESP$ 指示栈顶，栈从高地址向低地址增长，因此入栈是 $ESP$--.

$GCC$ 中为了保证数据严格对齐规定了，每个函数栈帧的大小必须是 $16$ 字节。

caution

这里所说的栈从高地址从低地址增长主要原因到底是什么，并没有找到具体明确的解释，说法很多，可以归于两类：

1. 由于数组的分配的是从低地址向高地址（大端小端不考虑了吗？），而栈从高地址向低地址，可以方便的找到数据的指针；
2. 是人为规定的，堆是从低地址到高地址（二者建立在共享栈上？），两者可以提高利用率；某些汇编可以认为规定方向。

选择语句的机器级表示

条件码（标志位）：标志位寄存器描述了最近的算术或逻辑运算的属性，可以通过这些状态进行条件跳转

标志位	作用	详细
CF	进（借）标志	最近无符号帧数加（减）运算后的进（借）位情况，有则为 1
ZF	零标志	最近操作的匀速啊结果时不时为 0, ，为 0 则为 1
SF	符号标志	最近的带符号数运算的结果的符号，为负则为 1
OF	溢出标志	最近的带符号数运算结果是否溢出，溢出则为 1

也有两个只设置条件码而不改变其他任何寄存器的指令——$cmp$ 和 $test$，分别和 $sub$ 和 $and$ 的行为一致，但是只改变标志位，不会更新到寄存器中。

结合前文提到的 控制流指令 ，即可根据标志位实现对应的跳转。

循环语句的机器级表示

循环同样可以通过对应的跳转指令实现，不再赘述。