計算機系統5-> 計組與體系結構2 | MIPS指令集（上）| 指令系統

climerecho發表於2022-04-14
計算機

系列的上一篇計算機系統4-> 計組與體系結構1 | 基礎概念與系統評估，學習了一些計算機的基礎概念，將一些基本的計算機組成部分的功能和相互聯絡瞭解了一下，其中很重要的一個抽象思想就是軟硬體的介面——指令集，這一篇就來具體地學習MIPS指令集。

參考資料：

  1. Computer Organization and Design the 5th Edition，即計算機組成與設計硬體軟體介面第五版
  2. 課件，由於是英文且只是老師的思路，所以是輔助參考
  3. 《計算機組成原理》譚志虎，HUST（此書強推）
  4. 《計算機組成原理》MOOC HUST

沒有學過計算機系統基礎，也就沒接觸過×86指令集，當時上課聽的挺難受的。下來又看了一遍書。我覺得課本寫得不太好，得完全通讀一遍，才知道它整體上要給我們傳授什麼概念和思想，知識之間是糅雜在一起的，更像是作者關於MIPS的漫談（想到哪介紹到哪）。

00 一些前言

關於指令集這部分的內容，系列4中已經介紹了它在計算機系統層次中的位置以及功能作用，本文是對於指令集功能的具體實現的更深入的介紹。

這次學習的指令集就包含兩個方面：

  1. 人程式設計書寫的形式--彙編語句（助記符）；
  2. 計算機識別的形式--機器指令（數字串）；
graph TD; 高階語言程式-->彙編語句; 彙編語句-->機器指令; 機器指令-->對應硬體電路設計/數字邏輯;

本部分不按照課件整理，也不按照課本整理，我就以上面這兩個方面以及上圖中的三個過程，分四個部分，來進行梳理：

  • MIPS指令集（上）：指令系統

    • 自頂向下講解一下指令系統的組成和特性

  • MIPS指令集（中）：MIPS彙編指令與機器指令。

    • 單獨整理MIPS的各種指令作用及其機器指令格式。

  • MIPS指令集（下）：高階程式塊在MIPS指令集架構中的翻譯

    • 高階語言的MIPS彙編表示是什麼樣子的。

  • MIPS指令集（續）：完整C程式碼的各級表示（偏向實操） | 使用Mars

    • 一次作業（已截止），進行深挖細想。

  • 接下來從機器指令到數字邏輯，是處理器CPU部分要介紹的內容

因為計算機硬體技術的基本原理相似，而且能夠提供的基本操作也不外乎幾種，所以不同的指令集及其機器語言大多很相似。

但是對於設計人員來說，追求的就是一種效能最優、功耗成本最低的指令集 / 機器語言架構。MIPS就是一種效能比較好的指令集。

可能大家會有一個疑問，即指令集為什麼還有效能、功耗、成本之說，它是怎麼影響這些指標的呢？這部分內容會來解釋這個問題。

0413 本以為拆分之後會短一點，其實內容還是很多。

01 指令系統概述

根據圖靈機理論，我們得知，計算機的工作就是不斷地以一種重複的流程執行不同的指令。指令到底是什麼呢？

指令以前提到過，就是對於計算機的命令。狹義來講，就是一串數字流，控制計算機來執行某種操作（比如加、減、移位等）；廣泛一點來講，其實本質上是對於計算機的命令，出於計算機不同層次的指令可能會不同，比如微程式設計級使用者一般會用微指令（微體系結構，處理器部分會講解）；一般機器級使用者會使用機器指令；組合語言級的使用者會使用匯編指令；高階語言級使用者會使用高階語言指令。

3

所謂指令集 / 指令系統，即計算機中底層設計承認的指令的集合，官方一些的話就是某種計算機體系結構中所有指令的集合。

指令集 / 指令系統是計算機的主要屬性，位於硬體和軟體的交介面上。也可以說指令系統是計算機硬/軟體的介面。

02 指令格式

指令是怎樣控制計算機底層的電路的呢？狀態機還記得吧，我們將不同的狀態編碼為不同的數字串，通過邏輯電路識別不同的狀態碼來執行不同的工作，加法或是移位。所以設計指令首先要考慮的事情就是指令的格式；

即明確指令處理什麼物件（運算元），對物件進行何種操作，通過何種方式獲取運算元等等。

指令格式具體來講就是二進位制程式碼表示指令的結構形式，一般格式如下圖所示。

操作碼欄位op 地址碼欄位A
  • 操作碼：表示這條指令用於進行何種操作 / 處理何種運算元（操作物件）；
  • 地址碼：給出被操作物件 / 運算元的位置；
  • 定址方式：決定獲取操作物件 / 運算元的方式；定址方式可以在地址碼中（如PDP-11、Inel×86），也可以放在操作碼中（如MIPS、RISC-V）；

02-1 指令字長度

一條指令中包含的二進位制數的個數，也即指令字長，比如MIPS的指令字長為32。

MIPS32 和 MIPS64 的差別在於單個暫存器的位數以及CPU的字；

  • 前者暫存器32位；
  • 後者暫存器64位；
  • CPU中都是32個暫存器；
  • 指令長度都為32位。

按照指令字長是否固定，可分為定長和變長指令系統。

  1. 定長指令系統
    • 長度固定，結構簡單，有利於CPU取指、譯碼和指令的順序定址；方便硬體實現；
    • 但指令平均長度較長，冗餘狀態較多，不易擴充套件；
    • 精簡指令系統 / RISC 多采用定長指令系統；
  2. 變長指令系統
    • 長度可變，結構靈活，冗餘狀態較少，平均指令長度較短，可擴充套件性好；
    • 指令變長會給取值、譯碼帶來不便；取指過程可能涉及多次訪存操作，下一條指令地址必須在指令譯碼後才能確定（也即沒有順序可言），增加了硬體實現難度；
    • ×86使用的就是變長指令系統；
  3. 後續指令系統舉例部分還會討論 CISC 和 RISC；

無論變長還是定長，指令字長都需要是位元組的整數倍，才能儲存在儲存器中。按照指令字長和機器字長的關係，可將指令分為半字長指令、單子長指令和多字長指令。

  • 機器字長即byte / 位元組，8位；
  • 指令字長即word / 字，長度與指令集有關，MIPS為32位定長，變長指令需要是byte的整數倍；
  • MIPS中一個字等於多少位元組

此外關於 位、位元組、字、字長：

  • 位（bit）
    “位”是計算機中的最小單位，它只表示一個二進位制數 0 00 或 1 11。
  • 位元組（Byte）
    轉化：1 Byte = 8 bit.
    位元組是計算機中資料處理的基本單位，用來單位儲存和解釋資訊。一個位元組固定由 8 個二進位制位組成。
  • 字（word）
    概念：計算機進行資料處理時，一次存取加工和傳送的資料長度。
    轉化：1 字 = n Byte
    一個字通常為位元組的整數倍（即 8 的整數倍）。
  • 字長
    一個字包含的位數，即 8n 位。

指令越長，佔用記憶體 / 主存的空間就越大，訪問所需時間越長：對於半字長指令，CPU訪問主存一次可以讀取兩條，單字長一條，雙字長則需要兩個儲存週期才能完成取指。

所以，長指令的取指速度慢，會影響指令執行速度，但多字長的指令能提供足夠長的操作碼欄位和足夠長的地址碼欄位，可以設計更多的指令、支援更多的指令格式、擴大定址範圍，功能上更加強大。

但為了提高速度，一般指令還是短一些好，即硬體設計原則一：越短越快。

02-2 指令地址碼

地址碼的意義有很多，可能是一個運算元，也可能是運算元的地址（包括運算元的記憶體地址、暫存器編號或者外部埠的地址），還可能是一個用於計算地址的偏移量（類似於陣列），具體表示哪一種含義，要由定址方式決定。

根據指令中含有的運算元地址的數量，可以將指令分為三地址指令、雙地址指令、單地址指令和零地址指令。

  1. 三地址指令

    C語言中我們經常見到形如a=b+c;的式子。

    在底層指令中也相似，具有兩個操作物件的運算叫做雙目運算，包括兩個源運算元和一個目的運算元，如果一條指令將三者的地址都給出，那麼這種指令就是三地址指令。表示式為：

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

    意思是，將A1中的內容和A2中的內容進行OP操作，將結果存入A3。

    但是這種指令存在一種問題，設想如果我們的記憶體很大，三地址指令要對記憶體地址進行操作，那麼用於表示記憶體地址的 Ai 的長度就會很大，總的指令長度也會變大。所以，3個地址碼很少都用儲存單元的地址碼。常見的三地址指令（如MIPS的較大部分）的三個運算元均為暫存器。

  2. 雙地址指令

    雙地址指令仍然是基於雙目運算設計，只不過是將運算結果繼續存入第一個運算元地址A1中。表示式為：

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

    意思是，A1為第一個源運算元，也是運算結果的目的地；A2是另一個源運算元。

    不同雙地址指令指向的資料儲存位置可能不同，有以下三種可能：

    • RR（Register - Register）型：源運算元和目的運算元均用暫存器存放；
    • RS（Register - Storage）型：源運算元和目的運算元分別在暫存器和主存中存放；
    • SS（Storage - Storage）型：兩個運算元均在主存中存放。

    由於暫存器就在CPU中，且儲存器的訪問速度和CPU的速度存在很大差距，所以儲存器的訪問速度慢於暫存器，所以速度上RR最快，SS最慢。

    ×86計算機主要採用RR和RS，MIPS等RISC計算機中主要使用RR型。

  3. 單地址指令

    單地址指令主要有兩類：

    • 單目運算類指令

      比如邏輯運算中的取反，表示式為：

      \[A_1 \leftarrow OP(A_2) \]

    • 隱含運算元的雙目運算類指令

      為了縮短指令長度，設計者將雙目運算子指令中的一個運算元規定隱含於CPU的某個暫存器（比如累加器AC）中，這樣指令就可以只描述另一個運算元的地址，並將操作後的結果送到規定的暫存器，表示式為：

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

      如80×86系列CPU中的乘法 Mul BL指令，表示將AL中的資料與BL中的資料相乘，結果存放在AX暫存器。

  4. 零地址指令

    這類指令中沒有地址碼，僅有操作碼，主要有兩類;

    • 不需要運算元的指令：
      • 比如為佔位、延時而設定的空操作指令NOP、等待指令WAIT、停機指令HALT、程式返回指令RET等等；
    • 運算元被隱藏於暫存器的 “單地址指令”
      • 有一個運算元，但是被隱藏在暫存器，比如Intel8086壓縮BCD編碼的運算調整指令DAA；

02-3 指令操作碼

操作碼欄位表示具體進行何種操作，不同功能的指令其操作碼的編碼不同，如可用0001表示加法，0010表示減法。操作碼的長度就是操作碼欄位所包含的位數。有定長操作碼和變長操作碼兩種。

  1. 定長操作碼

    定長操作碼不僅指操作碼的長度固定，而且其在指令中的位置也是固定的。這種方式的指令功能譯碼簡單，有利於硬體設計。

    操作碼的位數取決於計算機指令系統的規模，指令系統中包含的指令數越多，操作碼的長度就越長；反之就越短。假設指令系統包含m條指令，則操作碼的位數 n 應該滿足

    \[n \geq log_2m \]

  2. 變長操作碼

    變長操作碼中操作碼的長度可變，而且操作碼的位置也不固定，採用這種方式可以有效壓縮指令操作碼的平均長度，便於用較短的指令字長表示更多的操作型別，以定址更大的儲存空間。

    早期計算機指令字長較短，所以多采用變長操作碼來爭取表達更多的指令。例如PDP-11、Intel 8086，而 MIPS和RISC-V的部分型別指令也採用了這種方式。

擴充套件操作碼技術：

是實現變長操作碼的一種技術，基本思想是操作碼的長度隨地址碼數目減少而增加。

下面是一個較為簡單的擴充套件操作碼的16位系統，長度固定，不同運算元指令的操作碼長度不同。

三地址指令（括號裡表示二進位制位數）

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

雙地址指令

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

單地址指令

OP(12) A1(4)

零地址指令

OP(16)

但這個技術中有兩點需要注意：

  1. 不允許短碼是長碼的字首，即短操作碼不能與長操作碼的前面部分的程式碼相同。（這樣會無法分辨
  2. 各指令的操作碼一定不能重複。

這就是說，前面的三地址指令的OP欄位是不能把24種可能全部用完的，不然其餘指令就沒有餘地設計了。以此類推。

通常情況下，對使用頻率較高的指令分配較短的操作碼，對使用頻率較低的指令分配較長的操作碼，從而儘可能減少指令譯碼和分析的時間。（加速大概率事件）

03 定址方式

依據儲存程式的概念，計算機在執行程式之前須要把指令和運算元（資料）載入 / 存放到主存的相應地址單元中，執行程式時，CPU不斷從主存來取指令和資料。

主存基於地址來訪問指令和資料（形如一個巨型陣列），所以要想拿到指令和資料，需要得到它們在主存中的地址（也稱有效地址EA）。

定址方式就是尋找指令或者運算元有效地址的方式。定址方式是整個指令系統中的重要部分，對於指令集的效能有很大影響。

03-1 指令定址方式

指令定址方式有兩種：順序定址方式和跳躍定址方式。

03-1-1 順序定址方式

程式中的機器指令序列在主存中通常是按順序存放的，大多數情況下，程式按照指令序列的順序執行，因此在這種情況下，我們知道了當前指令的EA有效地址，再增加一個指令的長度（指令佔用主存單元的數量 ，類比陣列），就是下一條指令的位置了。這就是順序定址。

具體點說，如果某種指令系統的計算機用程式計數器PC（類似於指標）來儲存指令地址（×86中為IP / EIP），每執行一條指令，用PC+1就能算出下一條指令地址。

特別說明，這個 “1” 就是指令長度，如果是32位的計算機中指令長度是32位（正好佔用一個儲存字），採用順序定址方式時下一條指令通過PC+4得到。（32bits = 4byte，字是定址的基本單位）

03-1-2 跳躍定址方式

當然，有時候程式並不是自上而依次執行的，如果出現分支和轉移，就會改變程式執行順序，這時候下一條指令就不一定是PC+1了，而需要通過指令本身以及其他的條件決定。比如無條件轉移指令和條件轉移指令均採用跳躍定址方式。

03-1-3 圖解程式計數器PC

程式計數器（pc）是這樣子工作的，這裡有一塊儲存器和一個程式計數器：

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從0開始執行，我們就需要在pc中寫入地址0。執行完零號指令後，由於這是普通的取數指令，因此程式計數器自動+1，於是cpu開始執行指令1。

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以此類推...碰到跳轉指令，也就是指令3，讀取指令3後，PC跳轉到地址7，去執行7這個地方的指令。

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03-2 運算元定址方式

03-2-1 運算元定址的情況及機制

運算元的來源有三種情況：參考部落格1

  1. 立即數運算元，直接來自指令內部；
  2. 暫存器運算元，來自暫存器；
  3. 儲存器運算元，來自儲存器；

運算元的定址方式也靈活複雜很多，有：立即定址、隱含定址、直接定址、間接定址、暫存器定址、暫存器間接定址、基址定址、變址定址、相對定址、堆疊定址。

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該如何實現運算元定址呢？我們可以將地址碼欄位再分為定址方式欄位 I 和形式地址欄位 D 兩部分，比如說一個包含了定址方式的單地址指令結構：

操作碼OP 定址方式I 形式地址D

定址過程就是將 I欄位 和 D欄位 的不同組合轉換為有效地址；I欄位表示定址的方式，形式地址需要根據定址方式I的不同進行轉換。

03-2-2 立即定址

即I欄位編碼為立即定址，D欄位形式地址就是運算元本身，也即運算元存在指令裡，在我們的課本中被譯為立即數，在取值時運算元隨該指令一起被送到指令暫存器裡，定址時直接從指令中獲取運算元。

這種方式取運算元很快，但是指令字長有限，所以形式地址D長度也有限，所以運算元能表示的範圍有限，一般用於變數賦值。

×86中的立即定址的指令為：

MOV EAX,200BH

意為給暫存器EAX賦初值200BH。

03-2-3 隱含定址

隱含定址不直接給出運算元的地址，而是在指令中隱含運算元的地址。

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像上面這個圖中，形式地址A取出了對應的一個運算元，而另一個運算元則隱含在了ACC中。

03-2-4 直接定址

直接定址方式中運算元存放在主存裡，運算元地址由形式地址欄位D給出，不需要其他計算來獲得地址。

不足在於：定址範圍受限於形式地址欄位D的長度；資料地址放在指令中，程式和資料在記憶體中的存放位置也受到限制。

比如×86的直接定址方式：

MOV EAX,[200BH]

意為將主存中200BH位置的內容送進暫存器EAX裡。

03-2-5 間接定址

相對直接定址而言，間接定址D給出的不是運算元的有效地址，而是運算元的間接地址：運算元有效地址所存放的儲存單元的地址（地址的地址，聯絡指標）。

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×86的間接定址指令：

MOV EAX,@2008H 
#@是間接定址標誌

意為去2008H這個地方找運算元的地址，在拿這個地址去找運算元。

假設計算機指令字長32位，形式地址字長16位，如果用直接定址，則定址空間是216=64K；而如果採用間接定址，運算元地址放在主存中，定址空間232=4GB。

可見，間接定址擴大了定址範圍，可以用較短的形式地址訪問較大的記憶體；相對於直接定址更加靈活，運算元地址改變時不需改變指令中的形式地址欄位，只需改變形式地址指向的主存單元內容即可。

但是，間接定址訪問了兩次主存，降低了指令的執行速度，目前更常用的是暫存器間接定址。

03-2-6 暫存器定址

這種方式是最常用的定址方式。和直接定址原理相近，只是把訪問主存改為訪問暫存器。

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暫存器定址不需要訪問記憶體，指令執行速度快；所需的地址碼較短，有利於縮短指令長度，節省儲存空間。但是CPU中暫存器數量也較少，不能同時儲存太多運算元。

×86中的暫存器定址指令為：

MOV EAX,ECX

意為將暫存器ECX中的內容送入EAX中。

03-2-7 暫存器間接定址

和訪問主存的間接定址原理相同，只不過是運算元的有效地址（主存地址）存放在暫存器中，而形式地址D表示的是存放運算元地址的暫存器的編號。

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由於第一次訪存是訪問暫存器，相較於間接定址速度要快一些。

×86的暫存器間接定址指令：

MOV AL,[EBX]

意為按照暫存器EBX中的地址訪問主存相應位置，取出該位置的內容（運算元地址），再去找到運算元，送入AL暫存器中。

下面介紹偏移定址的三種方式。簡單講即通過加法計算出有效地址。在思想和形式上更類似於陣列的基址偏移，各自的不同是 “陣列的基址” 不同。相對於前幾種比較複雜，對比思考起來也有難度。

03-2-8 基址定址

基址定址是用一個暫存器（BR / EBX / EBP，EBX運算元在資料段，EBP運算元在堆疊段）來放基地址（這個不變），指令中形式地址D存放地址的變化值（偏移量），所以EA = R[BR] + D；

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當然也可以不用BR暫存器，使用通用暫存器的話，需要在指令中留一段編碼（R0）指向這個通用暫存器，如下圖：

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可見這種方式也使用了一點隱含定址，基址暫存器沒有在指令中顯式指出。基址定址的優點是擴大定址範圍，以前D表示地址，現在D表示偏移的多少，顯然變得很大。

×86的基址定址指令為：

MOV EAX,[EBX+SI]

但是在一個迴圈語句中，基址定址有一定的侷限性，

03-2-9 變址定址

與基址定址正好相反，變址定址指定一個暫存器來存放地址的變化量，而形式欄位D來作為基址（基準量），形式地址欄位D中還會有一段來指示變址暫存器的編號。EA = R[X] + D。

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所以變址定址中，存放變化量的暫存器的內容可變，D欄位不可變。變址定址常用於有規律的操作：如對線性表之類的陣列元素進行重複訪問，只需將線性表的起始地址作為基址賦值給形式地址D，讓變址暫存器的值按順序遍歷，就可以完成對線性表的遍歷。

×86中變址定址的指令為：

MOV EAX,32[ESI]

意為將變址暫存器ESI的值加上偏移量32作為地址訪問主存，再送入EAX中。

03-2-10 相對定址

把程式計數器PC中的內容加上指令中的形式地址D，產生運算元的有效地址。即 EA = PC + D。D相當於偏移量。

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至於為什麼是PC程式計數器呢？這跟基址定址有什麼區別呢？可以回憶一下03-2-8的基址定址，在基址定址中，我們只能得到運算元的地址，而不能得到運算元後就跳轉到下一條指令，而使用相對定址就可以在取指時通過PC的自增實現指令的順序跳轉。

03-2-11 偏移定址三種方式的對比思考

這個回頭再整理，肝不動了

03-2-12 堆疊定址

堆疊定址就是尋找放在堆疊中的運算元。具體根據堆疊的型別分為記憶體堆疊定址和暫存器堆疊定址。

  1. 記憶體堆疊定址 / 軟堆疊

    為了保證對於空間的需求，計算機一般使用的是儲存器堆疊，設定一個棧頂指標暫存器(SP)指向棧頂單元（儲存棧頂單元的地址），以位元組為單位進棧出棧，進棧出棧的操作由SP指標加減完成，其過程與資料結構中相同，只不過。

    • 入棧：SP = SP - 1，M[SP] = R；
    • 出棧：R = M[SP]， SP = SP + 1；

    如果出棧和入棧的資料單位不同，SP每次加減的量也不同，比如32位的資料入棧，就要 SP = SP - 4 ；圖源部落格：計算機組成原理學習筆記（六）：指令系統

    img

    記憶體堆疊又可以分為兩種，向上生長（向高地址方向 / 遞增堆疊）和向下生長（向低地址方向生長 / 遞減堆疊）。上面的例子都是基於向下生長。棧向什麼方向增長取決於OS和CPU。具體在這不做深入。

    參考：ARM堆疊定址

  2. 暫存器堆疊定址 / 硬堆疊

    為了保證對於速度的需求，還有一些計算機設計了暫存器堆疊，暫存器不按地址訪問，所以不設定棧頂指標，棧頂暫存器不能移動，移動的是資料。

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兩種堆疊中，暫存器堆疊雖然很快，但成本較高，不適合做大容量的堆疊；記憶體堆疊雖然速度較慢，但是成本低。而從主存中劃出一段區域來做軟堆疊是最合算且最常用的方法。

暫存器堆疊必須使用專門的堆疊指令，記憶體堆疊不一定，可以有其他的替代方法。

在採用堆疊結構的計算機系統中，大部分指令表面上都表現為無運算元指令的形式，而在運算元地址中隱含了SP暫存器。通常情況下，在讀 / 寫堆疊中的一個單元的前後都伴有自動完成對SP內容的增量或減量操作。

03-2-13 其他定址以及指令集具體實現

將前面的幾種定址方式排列組合，可以繼續得到一些複合的定址方式，主要用於複雜指令集中：

  1. 變址 + 間接定址方式：

    先進行變址定址再進行間接定址。即把變址暫存器X中的變化量與指令中的形式地址D（基址）相加，得到儲存運算元地址的地址。

    形式為： EA = (R[X] + D)

  2. 間接 + 變址定址方式：

    先間接再變址定址。即根據形式地址D的內容得到儲存偏移量的地址，找到這個地址後，再跟變址暫存器中的內容（基址）相加得到運算元的地址，再去拿運算元。

    形式為： EA = R[X] + (D)

  3. 相對 + 間接定址方式：

    先相對再間接定址。即先把PC中的基址與D中的偏移量相加，再間接定址等等。

對於某種具體的指令集，可能只實現了以上的一部分，以及它們的一些組合。並且前面所有都是以單地址指令為例，如果是多地址指令，可能每個地址段都有不同的定址方式。

04 指令型別

雖然不同的指令集設計思想、效能、結構不盡相同，但是都應當具備一些基本的指令型別：

04-1 算術 / 邏輯運算指令

主要作用是進行各類資料資訊處理，這也是CPU最基本功能，常見的基本指令有：與、或、非、異或（邏輯運算），定點、浮點的加減乘除（算術運算），以及求補、比較等等。

為了追求硬體簡單，計算機可能只支援上面中最基本的指令，甚至連乘除都不一定會有（因為乘除也是通過加法實現的）；而如果旨在提高效能，就會有乘除、開方、多項式計算、浮點運算、十進位制運算等。

04-2 移位操作指令

包括算術移位、邏輯移位和迴圈移位三個指令。算術移位和邏輯移位主要用於控制符號數和無符號數的移位；迴圈移位主要用於實現迴圈式控制、高低位元組互換，以及多倍字長資料的算術移位和邏輯移位；根據是否帶上進位位一起迴圈分為帶進位迴圈和不帶進位迴圈。

04-3 資料傳輸指令

主要用於資料傳送操作，比如暫存器和暫存器之間、暫存器和儲存器之間的資料傳送。有的指令集設計了通用的MOV指令，而另一些只設計了Load和Store指令，僅用於訪存。

04-4 堆疊操作指令

是特殊的資料傳輸指令，主要包括壓棧和出棧兩種。有些指令集不設定專門的壓棧和出棧指令，而用訪存指令和堆疊指標運算指令代替堆疊操作指令，而另一些指令集甚至設有多資料的壓棧、出棧指令。

這類指令主要是用於程式呼叫函式的引數傳遞過程等。

04-5 字串操作指令

用於在硬體層面直接支援處理非數值。主要包括字元傳送、字串比較、字串查詢、字串抽取、字串轉換等指令。

04-6 程式控制指令

用於控制程式的執行順序和執行方向。主要包括轉移指令、迴圈控制指令、子程式呼叫返回指令。

  • 轉移指令
    • 無條件跳轉
    • 條件跳轉
      • 條件符合，轉移到指令指定的地址繼續執行；
      • 條件不符合，繼續原順序執行；
  • 迴圈控制指令
    • 是增強版的轉移指令，兼具迴圈變數修改、條件判斷、地址轉移功能。
  • 子程式呼叫與返回指令
    • 子程式呼叫指令也稱過程呼叫指令。
      • 會給出子程式的入口和子程式返回主程式的地址（斷點），當然，需要儲存這個斷點，比如壓入堆疊。
      • 用於呼叫公用的子程式，如MIPS的jal、×86的call指令。
    • 子程式返回指令
      • 從壓入堆疊中取出斷點地址送入程式計數器PC，返回斷點處繼續主程式。
    • 與轉移指令的區別在於：
      1. 轉移指令在同一程式內，子程式呼叫指令實現不同程式之間的轉移。
      2. 轉移指令不需要返回原處，而子程式呼叫指令還需要保護斷點地址來確保返回。
      3. 都是無條件的，條件轉移需要條件。

04-7 輸入輸出指令

用於實現主機和外部裝置之間的資訊傳送，讀取外部裝置的工作狀態、控制外部裝置工作等；如果外部裝置和主存採用統一編址模式，則不需要設定專門的I/O指令，直接用訪存指令即可。

04-8 其他指令

其他指令包括停機、等待、空操作、特權等其他控制功能的指令。

特權指令主要用於資源分配管理，一般不直接給使用者使用。

05 指令格式設計

現在我們已經瞭解了指令集的一些特徵和運作機制，在開始介紹具體的指令集之前，如果要我們自己設計一種指令集，我們應當考慮哪些方面？

從巨集觀上講，這個指令集要完備、要規整、要有效、要具備相容和擴充套件性，最重要的是要有合理的指令格式，這決定了軟硬體兩方面後續工作是否因此變得簡化和便捷。

指令一般由操作碼和地址碼組成，我們首先要確定指令編碼格式，然後確定操作碼和地址碼各自的長度以及組合形式。最後是定址方式。

  1. 指令編碼格式設計

    即決定指令集的指令採用定長、變長還是混合編碼指令。定長和變長均在02指令格式部分有所介紹，混合編碼指令格式是定長和變長兩種指令結構的綜合，提供若干長度固定的指令字，既能減少目的碼的長度，也能降低譯碼複雜度。

  2. 操作碼設計

    操作碼的編碼比較直觀，只需要把指令情況全部編碼即可，此外要考慮指令編碼格式是變長還是定長，要保證兩條指令之間在硬體電路譯碼時不能相互衝突。

  3. 地址碼設計

    地址碼要為指令提供運算元，通常還需要考慮定址方式，儘量利用有限的位寬提供更大的範圍。

  4. 定址方式設計

    定址方式前面提到過，可以放在操作碼欄位中編碼，也可以在地址碼中單獨設定一段來指示定址方式。

06 指令系統舉例

這部分本想放在前面，但裡面的一些術語需要了解了指令系統才能更好明白。

06-1 發展歷程

  • 1970年 DEC釋出PDP-11指令集，1992年推出ALPHA(64位)
  • 1978年 Intel釋出了×86指令集，2001年推出IA64
    • ×86依託Intel，控制了電腦產業鏈
  • 1980年 IBM推出PowerPC
  • 1981年 誕生MIPS指令集
    • 很美很學術，但是生態系統分裂，沒有形成合力
  • 1985年 SUN推出SPARC
  • 1991年 arm推出第一版arm
    • 依靠IP授權，在手機領域應用廣泛
  • 2016年 RISC釋出開源RISC-V，是MIPS的改進，兩者差別不大
  • 2020年 龍芯推出LoongArch
    • 面對制裁下的“丟掉幻想”

06-2 指令集分類

就是著名的CISC和RISC。CISC是指 Complex Instruction Set Computer / 複雜指令集計算機；而RISC是指 Reduced Instruction Set Computer / 精簡指令集計算機。它們分別採用了不同的設計理念。

06-2-1 複雜指令系統計算機 / CISC

基於大規模積體電路的不斷髮展，硬體成本不斷降低，而上層軟體成本不斷提高（需求在變複雜），因此，計算機設計者在設計指令系統時，著重考慮為上層軟體服務，增加了許多功能強大的複雜指令，以及更多的定址方式，來滿足上層軟體不同的需求，具體表現為：

  • 更支援高階語言
    • 語義更加接近高階語言，
  • 簡化編譯器工作
    • 編譯器將高階語言翻譯為機器語言，當機器語言接近高階語言，編譯器的工作會變簡單。
  • 支援作業系統的更多功能
    • 複雜的指令更滿足作業系統更復雜的功能，比如作業系統的多媒體、3D功能
  • 支援實現更多的指令
    • 指令雖然有定長和變長兩種，但長度不可能是無限長的，要在有限長的空間中表達出更多的指令，只能壓縮地址碼長度，因此需要設計更多的定址方式
  • 滿足指令集更新和軟體相容
    • 同一系列的計算機，為了使軟體相容新舊計算機，指令系統只能擴充而不能刪減已有指令，所以指令數量越來越多，而CISC更適合指令集的擴充；

CISC的特點有：

  1. 指令集複雜、龐大，指令數目繁多（上百條近千條）；
  2. 指令不定長，格式多、定址方式多；
  3. 訪存指令沒有限制；
  4. 各個指令使用頻率相差會很大；
  5. 各個指令執行時間相差會很大；
  6. 微程式控制器被廣泛使用；

06-2-2 精簡指令集計算機 / RISC

RISC是在繼承CISC的成功技術和克服一些缺點的基礎上發展起來的。早期被提出是因為在研究中人們發現，複雜指令集雖然可以支援強大的功能，但是內部格式過於複雜，指令格式很不規範，並且，80%的程式只用到了20%的指令，而如果看過我的上一篇，加速大概率事件是一種硬體設計應當遵循的原則，所以我們可以只設計20%或多一點的指令，對這些指令的格式進行優化，使其格式規範、定址方式簡潔，再由多條簡單指令湊出複雜指令的功能。

RISC的特點有：

  1. 優先選用使用頻率最高的簡單指令，以及一些有用而不負責的指令，避免直接使用複雜指令；
  2. 大多數指令在一個時鐘週期中完成；
  3. 規定僅由 load & store 指令訪問主存，其他指令只能基於暫存器運算元處理；
  4. 著重面向暫存器操作，因此CPU內部暫存器較多（32 / 64）；
  5. 長度固定，定址方式和指令格式簡單，邏輯實現方便，使得控制器速度提高；
  6. 注重編譯優化，力求有效支援高階語言；

06-2-3 兩種指令集簡單對比

CISC傾向於服務軟體，對於指令集的設計優先支援軟體，同時暫存器較少（早期，目前由於硬體設計技術的進步，暫存器也變多了)，這照顧了硬體設計的難度（暫存器太多，線路過長，硬體成本會上升、訊號傳遞時間也會上升）。其優化的思路是簡化指令系統，通過額外的指令微程式控制器，來實現複雜指令邏輯的正常運作。

常見有Intel ×86，IA64；

RISC更兼顧軟硬體需求，基本思想是選取使用頻次高和有用的指令，設計簡單規範的基本指令，再由基本指令組裝成為複雜指令，實現複雜功能。其優化的思路是簡化指令本身，使計算機的結構簡單合理，降低單條指令的執行時間 / 執行週期數（可以達到一週期一條指令甚至多條指令執行），對於硬體來說，邏輯的簡化也簡化了硬體電路的設計，而增加了暫存器數量，會對硬體設計造成一定的壓力。

常見有ARM、MIPS、RISC-V。

06-3 指令集優劣

評估一個指令集會從以下兩個方面進行：

  1. 是否方便CPU的硬體實現；高效能、低功耗；
  2. 是否方便編譯器、作業系統、虛擬機器的實現和開發；

07 簡單總結 | Review

這個部分比我想象的更長，介紹了一個指令集的特徵以及工作模式，提了提設計一個指令集應該考慮什麼問題，然後介紹了各種已成名的指令集。

  1. 指令格式，指令碼和地址碼。
  2. 定址方式，各種定址方式的實現機制。
  3. 指令種類，指令集需要一些基本的指令，也會有其他用於支援複雜功能的指令。
  4. 各種各樣的指令集，CISC和RISC的對比。

感覺還是在填計基的坑。下一篇講解MIPS的指令可能就會輕鬆一點。

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