指令集架构

博主： Xherlock
发布时间：2022 年 03 月 27 日
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2393字数
分类：计算机组成与体系结构

# 指令集架构

## 指令格式

区分特点：

* 每条指令所需的比特数
* 操作数存储位置（堆栈或寄存器）
* 每条指令包含的显示操作数（explicit operands）的个数
* 操作数的位置
* 操作类型
* 操作数的类型（地址、数值、字符）和大小

### 指令集设计决策

**衡量指令集架构因素**

* 程序所占空间大小
* 指令集的复杂程度
* 指令的长度
* 指令的总条数

**设计指令集考虑**

* 指令长度
* 操作数数目
* 可寻址寄存器数目
* 内存组织：字节or字
* 寻址方式：直接、间接、索引
* 字节顺序：大端or小端

### 小端和大端

字节序byte ordering/endianness

小端（little endian）：先存储最低有效字节（到低地址），相对较难找到数字标志位，必须知道存储一个数所需字节数（GIF）

大端（big endian）：先存储最高有效字节，更符合阅读习惯（计网、JPEG）

eg：对0x12345678，小端：78563412，大端：12345678

### CPU存储数据

- 堆栈型：使用一个堆栈来执行命令，操作数隐式地存放在栈顶，不能随机访问一个堆栈；使用0或1个操作数，add、mult取栈顶两个数计算

eg：POP X、PUSH X
- 累加器型：一个操作数隐式地存放在累加器中，由于累加器暂时存储数据，使得内存通信开销大

eg：ADD X、LOAD X
- 通用寄存器（GPR）型：使用寄存器集合，比累加器更快，但指令更长（因为所有操作数都必须命名）

eg：LOAD R1,R2、ADD Z,R1,R2

**GPR广泛被现代计算机体系结构采用**，寄存器工作速度比内存快得多，且硬件价格下降，使得增加大量寄存器成为可能，可将GPR架构分为三类

* 存储器-存储器：可能2、3个操作数位于内存中
* 寄存器-存储器：至少一个操作数要在寄存器中，另一个在内存中
* 装入-存储：对数据执行操作，数据必须装入寄存器

堆栈架构计算需要采用后缀表示法（postfix notation/reverse Polish notation）

eg：Z=X&times;Y+W&times;U &rightarrow; Z=XY&times;WU&times;+

三操作数，第一个操作数往往是目的操作数，三地址指令代码如下

$$
\begin{aligned}
&MULT\ R1,X,Y\\
&MULT\ R2,W,U\\
&ADD\ Z,R1,R2
\end{aligned}

双操作数，通常有一个地址会指明某个寄存器（不允许两个操作数都存放在内存中），另一个操作数存放在寄存器或内存单元中，代码如下

$$
\begin{aligned}
&LOAD\ R1,X\\
&MULT\ R1,Y\\
&LOAD\ R2,W\\
&MULT\ R2,U\\
&ADD\ R1,R2\\
&STORE\ Z,R1\\
\end{aligned}

单操作数，单地址指令如MARIE，将指令的运行结果作为目的操作数隐式地存放在一个寄存器（累加器）中，代码如下

$$
\begin{aligned}
&LOAD\ X\\
&MULT\ Y\\
&LOAD\ W\\
&MULT\ U\\
&ADD\ TEMP\\
&STORE\ Z\\
\end{aligned}

零操作数，代码如下

$$
\begin{aligned}
&PUSH\ X\\
&PUSH\ Y\\
&MULT\\
&PUSH\ W\\
&PUSH\ U\\
&MULT\\
&ADD\\
&POP\ Z
\end{aligned}

有些指令比如HALT，不需要操作数，如果使用定长指令会浪费很大空间，因此采用扩展操作码（expanding opcodes）

![image-20220327215737276.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/03/338042084.png)

## 指令类型

* 数据传送：内存——寄存器之间
* 算术运算：整数、浮点数
* 布尔逻辑运算指令
* 位操作指令
* I/O指令
* 传送控制指令
* 专用指令

## 寻址

* 立即寻址（immediate addressing）：操作数就是指令中紧跟操作码之后地值，能被立即访问到
* 直接寻址（direct ~）：通过直接内存地址给出操作数，可以快速定位到操作数
* 寄存器寻址（register ~）：通过寄存器编号定位寄存器中的操作数
* 间接寻址（indirect ~）：给出数据的地址值的地址
* 寄存器间接寻址：使用寄存器存储数据的地址值
* 变址寻址（indexed ~）：一个变址寄存器存储偏移量，偏移量加上指令的操作数，得到所请求操作数的有效地址
* 基址寻址（based ~）：一个基址寄存器存储基地址，此地址的字段表示相对于此基地址的偏移量（对数组、字符串中元素访问很有用）
* 堆栈寻址（stack ~）：操作数在栈顶

eg：

![image-20220327223255832.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/03/562398854.png)

最后修改：2022 年 05 月 07 日

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顶点软件
你写得非常清晰明了，让我很容易理解你的观点。
mars
博主你好，请问怎么知道的alloc函数属于Buffer下的方法...
lj
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Mr.Guan
:@(赞一个)
Typecho
欢迎加入 Typecho 大家族

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指令集架构

Xherlock • 2022 年 03 月 27 日

# 指令集架构

## 指令格式

区分特点：

### 指令集设计决策

**衡量指令集架构因素**

* 程序所占空间大小
* 指令集的复杂程度
* 指令的长度
* 指令的总条数

**设计指令集考虑**

* 指令长度
* 操作数数目
* 可寻址寄存器数目
* 内存组织：字节or字
* 寻址方式：直接、间接、索引
* 字节顺序：大端or小端

### 小端和大端

字节序byte ordering/endianness

小端（little endian）：先存储最低有效字节（到低地址），相对较难找到数字标志位，必须知道存储一个数所需字节数（GIF）

大端（big endian）：先存储最高有效字节，更符合阅读习惯（计网、JPEG）

eg：对0x12345678，小端：78563412，大端：12345678

### CPU存储数据

- 堆栈型：使用一个堆栈来执行命令，操作数隐式地存放在栈顶，不能随机访问一个堆栈；使用0或1个操作数，add、mult取栈顶两个数计算

eg：POP X、PUSH X
- 累加器型：一个操作数隐式地存放在累加器中，由于累加器暂时存储数据，使得内存通信开销大

eg：ADD X、LOAD X
- 通用寄存器（GPR）型：使用寄存器集合，比累加器更快，但指令更长（因为所有操作数都必须命名）

eg：LOAD R1,R2、ADD Z,R1,R2

**GPR广泛被现代计算机体系结构采用**，寄存器工作速度比内存快得多，且硬件价格下降，使得增加大量寄存器成为可能，可将GPR架构分为三类

堆栈架构计算需要采用后缀表示法（postfix notation/reverse Polish notation）

eg：Z=X&times;Y+W&times;U &rightarrow; Z=XY&times;WU&times;+

三操作数，第一个操作数往往是目的操作数，三地址指令代码如下

$$
\begin{aligned}
&MULT\ R1,X,Y\\
&MULT\ R2,W,U\\
&ADD\ Z,R1,R2
\end{aligned}

双操作数，通常有一个地址会指明某个寄存器（不允许两个操作数都存放在内存中），另一个操作数存放在寄存器或内存单元中，代码如下

$$
\begin{aligned}
&LOAD\ R1,X\\
&MULT\ R1,Y\\
&LOAD\ R2,W\\
&MULT\ R2,U\\
&ADD\ R1,R2\\
&STORE\ Z,R1\\
\end{aligned}

单操作数，单地址指令如MARIE，将指令的运行结果作为目的操作数隐式地存放在一个寄存器（累加器）中，代码如下

$$
\begin{aligned}
&LOAD\ X\\
&MULT\ Y\\
&LOAD\ W\\
&MULT\ U\\
&ADD\ TEMP\\
&STORE\ Z\\
\end{aligned}

零操作数，代码如下

$$
\begin{aligned}
&PUSH\ X\\
&PUSH\ Y\\
&MULT\\
&PUSH\ W\\
&PUSH\ U\\
&MULT\\
&ADD\\
&POP\ Z
\end{aligned}

有些指令比如HALT，不需要操作数，如果使用定长指令会浪费很大空间，因此采用扩展操作码（expanding opcodes）

![image-20220327215737276.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/03/338042084.png)

## 指令类型

* 数据传送：内存——寄存器之间
* 算术运算：整数、浮点数
* 布尔逻辑运算指令
* 位操作指令
* I/O指令
* 传送控制指令
* 专用指令

## 寻址

eg：

![image-20220327223255832.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/03/562398854.png)

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