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  • 2021-07-17 06:25:46

    指令系统指的是计算机所能执行的全部指令的集合,它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。它是软件和硬件的主要界面,反映了计算机所拥有的基本功能。

    指令系统名词解释

    指令系统就是计算机硬件的语言系统,也叫机器语言,指的是机器所具有的全部指令的集合,它是软件和硬件的主要界面,反映了计算机所拥有的基本功能。从系统结构的角度看,它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力,也决定了指令的格式和机器的结构。

    指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合,它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。其中包含了算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、移位操作型、位(位串)操作型、输入和输出型等指令。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素,它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构,而且也直接影响到系统软件,影响到机器的适用范围。

    一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的基本格式如:操作码字段+地址码字段,其中操作码指明了指令的操作性质及功能,地址码则给出了操作数或操作数的地址。

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  • 什么是指令和指令系统

    千次阅读 2021-07-26 05:06:44
    指令就是计算机程序发给计算机处理器的命令,英文...指令系统是计算机硬件的语言系统,一般也叫机器语言,指的是机器所具有的全部指令的集合,它是软件和硬件的最主要界面,同时反映了计算机所拥有的基本功能。系...

    指令就是计算机程序发给计算机处理器的命令,英文名称是instruction。

    最低级的指令是一串0和1,它表示一项实体作业操作要运行。系统根据指令类型,具体的存储领域被称作“寄存器(register)”,它里面包含了可用于调出指令的数据或数据存储位置。

    指令系统是计算机硬件的语言系统,一般也叫机器语言,指的是机器所具有的全部指令的集合,它是软件和硬件的最主要界面,同时反映了计算机所拥有的基本功能。

    从系统结构的角度看,它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力,也决定了指令的格式和机器的结构。

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    扩展资料:

    指令格式

    计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能都有很大的关系。从便于程序设计、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度来看,指令中应包含多种信息。

    但在有些指令中,由于部分信息可能无用,这将浪费指令所占的存储空间,并增加了访存次数,也许反而会影响速度。

    因此,如何合理、科学地设计指令格式,使指令既能给出足够的信息,又使其长度尽可能地与机器的字长相匹配,以节省存储空间,缩短取指时间,提高机器的性能,这是指令格式设计中的一个重要问题。

    性能要求

    指令系统的性能决定了计算机的基本功能,它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求:

    1、完备性,指用汇编语言编写各种程序时,指令系统直接提供的指令足够使用,而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。

    2、有效性,是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。

    3、规整性,包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。

    对称性是指:在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待,所有的指令都可使用各种寻址方式。

    匀齐性是指:一种操作性质的指令可以支持各种数据类型;

    指令格式和数据格式的一致性是指:指令长度和数据长度有一定的关系,以方便处理和存取。

    4、兼容性,至少要能做到“向上兼容”,即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。

    伪指令

    伪指令(伪操作)不像机器指令那样是在程序运行期间由计算机来执行的,它是在汇编程序对源程序汇编期间由汇编程序处理的操作.它可以完成如处理器选择,定义程序模式,定义数据,分配存储区,指示程序结束等功能.伪指令在编译的时候并不生成代码.伪指令在编译之后就不存在了。

    参考资料来源:百度百科-指令

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  • 经典书籍,主要讨论了包括计算机底层编码、内存与指针、计算机指令与代码系统、函数调用的机制、多级存储系统、线程与进程的概念以及代码优化等多个方面的话题。
  • 计算机组成原理(4.1)—— 指令系统设计

    千次阅读 多人点赞 2020-08-13 08:42:01
    指令执行周期指令设计涉及的问题三、指令系统设计1. 设计指令系统(1)设计原则(2)设计的重要方面2. 操作数类型和存储方式(1)指令应涉及的基本数据类型(2)IA32和MIPS中的数据类型3. 寻址方式(1)关于...

    一、指令集体系结构(ISA)的基础概念

    1. 指令相关概念

    • CPU只能识别指令形式的机器语言(01序列),不管C、python还是什么高级语言,都需要翻译(编译、汇编、解释)为机器语言才能执行
    • 指令可以分为三个类型
      1. 微指令微程序级的命令,它属于硬件
      2. 宏指令(伪指令):由若干条机器指令组成的软件指令,它属于软件;
      3. 机器指令:介于微指令和伪指令之间,处于硬件和软件的交界面,每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。一般讲的指令就是指机器指令
        • 一条机器指令对应了硬件层面的一段微程序,微程序由若干微指令组成。比如在多周期CPU中执行一个加法指令,它可能对应了类似这样的一段微程序:从寄存器取操作数 -> 运算 -> 结果写回寄存器,这里就是三条微指令,每个机器周期执行一条。
        • 机器指令就是一串二进制的01序列
    • 指令集(指令系统):一台机器可以执行的机器指令的集合,它是ISA的核心组成部分
    • 微架构:处理器核心的实现方式,是将一种给定的ISA在处理器中执行的方法

    2. 什么是ISA

    • ISA(指令集体系结构)是一种规约(Specification),它规定了如何使用硬件,是一种对硬件的抽象
      在这里插入图片描述

    • 关系图
      在这里插入图片描述

    3. ISA的地位

    (1)ISA是软件和硬件的交界面(接口)

    • 计算机体系结构示意
      在这里插入图片描述
    • 指令系统处在软/硬件交界面,同时被硬件设计者和系统程序员看到
      • 硬件设计者角度:指令系统为CPU提供功能需求,要求易于硬件设计
      • 系统程序员角度:通过指令系统来使用硬件,要求易于编写编译器
    • ISA是对硬件的抽象,所有软件功能都建立在 ISA之上

    (2)ISA是计算机的必要组成部分

    • ISA是最贴近CPU的,它规定了CPU可以理解的机器码语法以及部分CPU设计要求,因此它在计算机体系结构的发展中一直存在。它是CPU的接口,只要有计算机硬件,就有ISA。
    • 操作系统、各种层次的编程语言等等都是建立与ISA之上的,它们即使这些都没有,我们直接写机器码也可以让计算机正常工作
    • 计算机体系结构的发展简图如下,可以看到其中都有ISA
      1. 最早的计算机,用机器语言编程
        在这里插入图片描述
      2. 之后出现了OS和汇编语言,可以执行多道程序
        在这里插入图片描述
      3. 现代计算机体系结构
        在这里插入图片描述
    • 最后附一张不同层次的计算机工作者对计算机的认识
      在这里插入图片描述
    • 下面,针对ISA的核心组成部分——指令集(指令系统),进行进一步介绍

    二、指令格式设计

    1. 一条指令必须包含的信息

    在这里插入图片描述

    2. 不同地址码个数的指令

    • 这里的地址是指一个操作数所在的地址。它具体可能是寄存器编号、存储器地址、I/O端口或指令立即数等等…
      在这里插入图片描述

    3. 从指令执行周期看指令设计涉及的问题

    • CPU的运行流程:
      • 取指令 - 指令译码 - 计算地址取操作数 - 进行运算,得标志位 - 计算结果送目的地 - 计算下条指令地址在这里插入图片描述

      • 上面这种划分得比较细,一个标准五级流水线中是这样划分的:取指 - 译码 - 执行 - 访存 - 写回

    三、指令系统设计

    1. 设计指令系统

    (1)设计原则

    • 应尽量短
    • 要有足够的操作码位数
    • 指令编码必须有唯一的解释,否则是不合法的指令
    • 指令字长应是字节的整数倍
    • 合理地选择地址字段的个数
    • 指令尽量规整

    (2)设计的重要方面

    • 操作码的全部组成:操作码个数 / 种类 / 复杂度 (主存读写、自增、跳转四种指令已足够编制任何可计算程序,但程序会很长)
    • 数据类型:对哪几种数据类型完成操作
    • 指令格式:指令长度 / 地址码个数 / 各字段长度(看上面一、2部分)
    • 通用寄存器:个数 / 功能 / 长度
    • 寻址方式:操作数地址的指定方式
    • 下条指令的地址如何确定:顺序,PC+1;条件转移;无条件转移;……
    • 一条指令的功能,一般通过对操作码进行不同的编码来定义; 操作码相同时,再由功能码进行区分(例如MIPS的R型指令)

    2. 操作数类型和存储方式

    • 操作数:指令处理的对象,与高级语言的数据类型对应
    • 操作数存放在寄存器内存单元

    (1)指令应涉及的基本数据类型

    在这里插入图片描述

    (2)IA32和MIPS中的数据类型

    1. IA-32(英特尔32位体系架构,80386开始采用)

      • 基本类型:字节、字(16位)、双字(32位)、四字(64位)
      • 整数: 16位、32位、64位三种2-补码表示的整数;18位压缩8421 BCD码表示的十进制整数
      • 无符号整数(8、16或32位)
      • 近指针:32位段内偏移(有效地址)
      • 浮点数:IEEE 754(80位扩展精度浮点数寄存器)
    2. MIPS

      • 基本类型:字节、半字(16位)、字(32位)、四字(64位)
      • 整数: 16位、32位、64位三种2-补码表示的整数
      • 无符号整数:(16、32位)
      • 浮点数:IEEE 754(32位/64位浮点数寄存器)

    3. 寻址方式

    (1)关于寻址

    • 寻址方式:指令或操作数地址的指定方式。即:根据地址找到指令或操作数的方法,通常特指 “操作数的寻址”
    • 指令中如何表示寻址方式
      1. 没有专门的寻址方式位(由操作码确定寻址方式):如MIPS指令,一条指令中最多仅有一个主(虚)存地址,且仅有一到两种寻址方式。
      2. 有专门的寻址方式位:如X86指令,一条指令中有多个操作数,且寻址方式各不相同, 需要各自说明寻址方式,因此每个操作数有专门的寻址方式位
    • 常用寻址方式:立即 / 直接 / 间接 / 寄存器 / 寄存器间接 / 偏移 / 堆栈…

    (2)有效地址和地址编码

    1. 有效地址
      在这里插入图片描述
    2. 地址编码
      在这里插入图片描述

    (3)指令的寻址

    1. 指令寻址
      在这里插入图片描述

    (4)操作数的寻址

    1. 常用寻址方式

    在这里插入图片描述

    • EA是操作数在主存中的地址,得到EA后,还要访存才能得到操作数
    • 操作数的真实位置
      • 在指令中直接给出:立即寻址
      • 在寄存器中:寄存器寻址
      • 在主存中:以上除了立即和寄存器之外所有
      • 在磁盘中:对于在主存中的操作数,可能发生 “缺页” ,此时操作数在磁盘中,需要被置换进主存
    • 偏移寻址有三种,这块比较复杂,下面逐一分析

    2. 三种偏移寻址方式详述

    1. 寻址算法思想

      1. 思维导图
        在这里插入图片描述
      2. 可见,所谓偏移寻址就是利用基地址和地址偏移量计算目标地址,根据地址给出形式的不同,可以分成三种类型。
      3. 一般RISC机器不提供自动变址寻址,并将变址和基址寻址统一成一种 “偏移寻址方式”。比如MIPS就是这样的
    2. 相对寻址: EA=A+(PC)

      • 定义:目标地址 = 相对于PC寄存器当前值的位移量为A的存储单元。指令地址码给出一个偏移量(带符号数),基准地址由PC寄存器隐含给出
      • 注意:当前PC值可能是本条指令(没有指令预取,如单周期CPU)或下一条指令的地址(有指令预取,如流水线CPU)
      • 可用来实现程序(公共子程序)的浮动指定转移目标地址
        • 公共子程序的浮动:
          在这里插入图片描述

        • 相对寻址实现相对转移

          • 举例:双字节(2个字节)定长指令字,第一字节是操作码Jxx,第二字节是位移量D,用补码表示。目标地址范围不等于位移量D的表示范围,只有确定了是按字还是字节编址、位移量D是指指令条数还是单元数,才能确定目标地址范围。若D为字节单元数,跳转范围[-126,128]单元,[-63,64]条指令
            在这里插入图片描述

          • 假设使用流水线技术,有指令预取,按字节编址,指令长度为双字节,D代表单元数,则目标地址 = (PC) +2 +D。由于流水线,在取这条Jxx指令的时候,PC已经+1了,指令长度又是双字节,所以要先加2得到此刻Jxx指令的地址,然后再加单元偏移D得到目的地址

          • 举例:若转移指令地址为2000H,转移目标地址为1FF0H,总是在取指令同时对PC增量(流水线),则转移指令第二字节位移量为多少?
            在这里插入图片描述

          • 举例:MIPS指令beq $1, $2, Label_25的转移目标地址为(PC)+4+4*25,这里的25是指令条数而不是单元数,MIPS采用定长指令字,按字节编址,所有指令的长度都是32位(4字节)。

          • 说明:MIPS采用定长指令字,按字节编址, 所有指令的长度都是32位(4字节)

    3. 基址寻址:EA=A+(B)

      • 定义:目标地址 = 相对于基址(B)处位移量为A的单元。指令地址码给出一个偏移量,基准地址 由基址寄存器B给出。 (例如MIPS指令lw / sw $s2, 0x40($t1)
      • 可用来实现多道程序重定位过程调用中参数的访问
        • 基址寻址实现程序重定位
          在这里插入图片描述
    4. 变址寻址: EA=A+(I)

      1. 定义:目标地址 = 相对于首址A处位移量为(I)的单元。指令地址码给出一个基准(形式)地址A ,而偏移量(无符号数) 由变址寄存器 I 给出。(例如Intel 8086指令MOV AL, [SI+1000H],这里SI就是I, 1000H就是A。)
      2. MIPS中没有变址寄存器;IA32中有
      3. 可为循环重复操作提供一种高效机制,如实现对线性SK表IP的方便操作
        在这里插入图片描述

    4. 操作码编码

    在这里插入图片描述

    (1)定长操作码编码

    1. 思维导图
      在这里插入图片描述

    2. 举例:IBM360/370的指令格式
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

      • 可以看到,各种指令类型中,OP段(操作码)的编码长度都是一致的
      • IBM360/370使用了定长操作码,变长指令字

    (2)变长操作码编码

    • 基本思想
      • 操作码的编码长度分成几种固定长的格式
      • 指令格式:变长操作码、变长指令字
    • 变长操作码编码有两种
      • 扩展编码
      • 哈夫曼编码
    • PDP-11是典型的变长操作码机器
    • 大多数指令集采用变长操作码编码这种方式

    1. 哈夫曼编码

    • 这就是数据结构中学习过的哈夫曼编码,可以有效压缩操作码的平均长度
    • 通过构造一棵哈夫曼数,我们可以轻松获取每个操作码的哈夫曼编码,这里不展开说了
    • 哈夫曼编码应用于指令设计时存在一些问题
      • 操作码长度很不规整;
      • 硬件译码困难
      • 与地址码共同组成固定长的指令比较困难

    2. 扩展编码

    1. 核心原则:任意操作码的编码不能是另一个操作码的编码的前缀

    2. 等长15/15/15扩展编码
      在这里插入图片描述

    3. 等长8/64/512扩展编码
      在这里插入图片描述

    4. 不等长操作码4/6/10扩展编码法
      在这里插入图片描述

    3. 设计操作码编码示例

    • 设某指令系统指令字是16位,操作码从最高位开始,地址码都在最低位,每个地址码为6位。包含三类指令

      1. 二地址指令15条
      2. 一地址指令34条
      3. 其余为零地址指令
    • 分析:

      1. 二地址指令格式:4位操作码 | 6位地址 | 6位地址
      2. 一地址指令:10位操作码 | 6位地址
      3. 零地址指令:16位操作码
    • 编码设计:
      在这里插入图片描述

    5. 标志信息的生成与使用

    (1)条件测试方式

    • 在一些CPU设计中,条件转移指令通常根据Condition Codes (条件码/CC) 决定是否转移。如IA-32结构中的Jcc系列指令

    • IA-32的Jcc指令示例,可见条件码cc本质上是由一些标志位的逻辑运算结果决定的,也就是说:标志位经过逻辑运算,可以进行逻辑判断或溢出检测等
      在这里插入图片描述

    • 常见的标志位由以下四种,对于带符号和无符号运算,标志生成方式有没有不同,因为电路不知道是无符号数还是带符号整数!
      在这里插入图片描述

    • 通过执行算术指令显式地由比较和测试指令来设置CC(即设置标志位),它们(尤其是第二类)往往配合跳转转移系列指令Jcc使用

      1. 第一类:如IA-32中的addsub等算术指令
      2. 第二类:如IA-32中的cmptest等指令
    • 更多关于IA-32中标志相关的内容,请参考:IA-32汇编语言笔记(3)—— 简单传送、加减指令 & 标志寄存器

    (2)标志寄存器

    • IA-32系列结构中使用了标志寄存器(程序状态字寄存器)PSW,这是一个16位的寄存器。 它反映了CPU运算的状态特征并且存放某些控制标志。8086使用了16位中的9位,包括6个状态标志位和3个控制标志位
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

    (3)MIPS中没有标志位

    • MIPS架构和IA-32的一个大区别就是MIPS没有标志位的概念,自然也没有标志寄存器PSW
    • MIPS架构中,直接在ALU部件运算时生成转移发生、溢出发生等信号,这些信号被传输到其他部件控制动作发生

    6. 指令设计风格

    (1)按操作数位置指定风格

    1. 四种指令风格
      在这里插入图片描述

    2. 指令风格比较
      在这里插入图片描述

      • 累加器型,因为所有运算都要用累加器,表达式复杂时,程序中移入移出累加器的指令增多
      • 1975年开始,寄存器型指令集占主导地位。寄存器速度快,使用大量通用Reg减少访存;与堆栈型指令用到堆栈相比,编译高级语言中变量时,不用考虑顺序
    3. 不同指令集关于访存的比较
      在这里插入图片描述

    (2)按指令格式的复杂度来分

    1. 复杂指令集计算机CISC

    在这里插入图片描述

    2. 精简指令集计算机RISC

    在这里插入图片描述

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  • 第四章 指令系统.ppt

    2019-06-19 17:25:38
    指令系统是计算机硬件的语言系统,也叫机器语言,指机器所具有的全部指令的集合,它是软件和...系统结构的角度看,它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力
  • 零开始设计RISC-V处理器

    系列文章目录

    (一)从零开始设计RISC-V处理器——指令系统
    (二)从零开始设计RISC-V处理器——单周期处理器的设计
    (三)从零开始设计RISC-V处理器——单周期处理器的仿真
    (四)从零开始设计RISC-V处理器——ALU的优化
    (五)从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之数据通路的设计
    (六)从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之控制器的设计
    (七)从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之数据冒险
    (八)从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之控制冒险
    (九)从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之分支计算前移
    (十)从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之静态预测


    本人本科生一枚,之前学习了计算机体系结构(RISC-V版)这本书,对CPU的设计产生了浓厚的兴趣,于是决定在寒假期间,自己动手设计一个基于RISC-V指令集的CPU,顺便写一些文章,记录自己的学习成果,如果文章中有不合理之处,希望大家能批评指正。

    今天是第一天,首先进行指令的选取。

    如下表所示,计划实现以下37条指令。
    在这里插入图片描述
    对指令的理解:
    1.LUI:将20位立即数的值左移12位(低12位补零)成为一个32位数,将其写回rd。这一指令主要是为了在寄存器中存入比较大的立即数,比如,要想在寄存器X1中存入一个数,可以用addi指令实现(addi x1,x0,100),但这个数的范围有限(-2048~2047),因为addi指令的立即数部分只有12位,能表示最大的无符号数位0xfff(十进制4095),对应的有符号数的范围则为-2048到2047。当立即数超出这个范围,则需要用lui指令。

    如lui x1,0xffff ,二进制指令:00001111111111111111000010110111

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    2.AUIPC:将20位立即数的值左移12位(低12位补零)成为一个32位数,再加上该指令的pc值,再将结果写回rd。这条指令与lui类似,可能是为了实现PC在较大范围内跳转(仅仅是猜测,因为这条指令我还没有接触过)。

    如auipc x2,0xfff,二进制指令:00000000111111111111000100010111

    当前PC为4,汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    3.JAL:PC+4 的结果送 rd 但不送入PC,然后计算下条指令地
    址。转移地址采用相对寻址,基准地址为当前指令地址
    (即 PC),偏移量为立即数 imm20 经符扩展后的值的 2 倍。
    在实际的汇编程序编写中,跳转的目标往往使用汇编程序中的 label,汇编器会自动根据 label 所在的地址计算出相对的偏移量赋予指令编码。

    如:
    jal x3,label1 二进制:00000000100000000000000111101111
    addi x4,x0,4
    label1:
    addi x5,x0,5
    当前PC为 8,跳过给X4赋值这条指令,并且将12赋给X3寄存器,汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    (补充:仔细分析上面jal指令的二进制会发现,立即数部分是4,4*2=8,PC+8=12,跳过中间的一条指令,这样看起来似乎没什么问题。

    但是再看jal的立即数部分,总共是20位,拼接起来是[20:1],这里为什么不是[19:0]?

    观察其他的指令格式,如果立即数是12位,那么会表示为[11:0],但JAL,BEQ,BNE,BLT,BGE,BLTU,BGEU却例外。

    于是引发了以下思考(个人观点,未经查证,以后深入学习之后再回来补充):假设立即数其实是21位的,即[20:0],只不过始终保持最低位为0,所以在指令中仅仅体现[20:1],这样一来,21位的立即数一定是2的倍数,将立即数乘以2之后,一定是4的倍数,这样就可以保证跳转后的PC一定是4的倍数。所以,对于一个label,假设当前指令为第0行,label为第几行,立即数[20:1]则为多少,这样,立即数最低位补0再乘以2,与当前PC相加,则为正确的跳转地址。

    以上的假设便能够合理地解释立即数为[20:1]的原因。

    基于以上假设再来看上面jal指令的二进制,发现并不是这样,在以上的假设中,立即数应该是2,但汇编器转化出来的立即数是4,所以要么是我的假设出了问题,要么是汇编器出了问题。

    站在汇编器的角度,立即数就是20位的,不存在最低位补个0的说法,所以汇编器在计算立即数的时候,自然而然地就已经将立即数设置成2的倍数了。对于BEQ,BNE,BLT,BGE,BLTU,BGEU指令也是一样。

    在这里我更愿意相信我的假设,也许并不一定正确,但这看起来似乎更合理。以上仅为个人拙见,日后深入学习后可能才会发现其中的奥妙。)

    4.JALR:jalr 指令使用 12 位立即数(有符号数)作为偏移量,与操作数寄存器 rs1中的值相加,然后将结果的最低有效位置0。jalr指令将其下一条指令的 PC(即当前指令PC+4)的值写入其结果寄存器 rd。

    如:
    addi x4,x0,4
    jalr x8,x4,8 二进制:00000000100000100000111111100111
    addi x5,x0,5
    addi x6,x0,6
    addi x7,x0,7
    jalr指令所在的PC为4,4+8=12,则跳向PC=12的指令,同时将8存入X8寄存器。汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    5.BEQ:beq指令只有在操作数寄存器rs1中的数值与操作数寄存器rs2的数值相等时,才会跳转,跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0(即乘以2)的偏移量加上BEQ指令的地址。

    如:
    addi x1,x0,1
    label1:
    add x1,x1,x1
    addi x2,x0,2
    beq x1,x2,label1 二进制:11111110001000001000110011100011

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    6.BNE:bne指令只有在操作数寄存器rs1中的数值与操作数寄存器rs2的数值不相等时,才会跳转,跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0(即乘以2)的偏移量加上BNE指令的地址。

    如:
    addi x1,x0,1
    label1:
    add x1,x1,x1
    addi x2,x0,4
    bne x1,x2,label1 二进制:11111110001000001001110011100011

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    7.BTL:blt指令只有在操作数寄存器rs1中的数值小于操作数寄存器rs2的数值时(有符号数),才会跳转,跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0(即乘以2)的偏移量加上BLT指令的地址。

    如:
    addi x1,x0,-1
    label1:
    add x1,x1,x1
    addi x2,x0,-2
    blt x1,x2,label1 二进制:11111110001000001100110011100011

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    8.BGE:bge指令只有在操作数寄存器rs1中的数值大于或等于操作数寄存器rs2的数值时(有符号数),才会跳转,跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0(即乘以2)的偏移量加上BGE指令的地址。
    (注意bge指令的条件是大于等于,而blt的条件是小于)

    如:
    addi x1,x0,-1
    label1:
    add x1,x1,x1
    addi x2,x0,-2
    bge x1,x2,label1 二进制:11111110001000001101110011100011

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    9.BLTU:bltu指令只有在操作数寄存器rs1中的数值小于操作数寄存器rs2的数值时(无符号数),才会跳转,跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0的偏移量加上BLTU指令的地址。

    如:
    addi x1,x0,-1
    label1:
    add x1,x1,x1
    addi x2,x0,2
    bltu x1,x2,label1 二进制:11111110001000001110110011100011

    这里一定是不跳转的,X1的值为-2,但是将其看作是一个无符号的数,就是一个非常大的正数。汇编器执行结果如下:

    有符号表示:
    在这里插入图片描述
    无符号表示:
    在这里插入图片描述
    10.BGEU:bgeu指令只有在操作数寄存器rs1中的数值大于或等于操作数寄存器rs2的数值时(无符号数),才会跳转,跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0的偏移量加上BGEU指令的地址。

    如:
    addi x1,x0,-1
    label1:
    add x1,x1,x1
    addi x2,x0,-2
    bgeu x1,x2,label1 二进制:11111110001000001111110011100011

    这里一定是跳转一次的,因为刚开始时X1=X2,跳转一次后不会再跳转。
    汇编器执行如果如下:

    有符号表示:
    在这里插入图片描述
    无符号表示:
    在这里插入图片描述
    11.SB:sb指令 将操作数寄存器rs2中的低8位数据,写回存储器

    如:
    addi x1,x0,0xf1
    addi x2,x0,0xf2
    addi x3,x0,0xf3
    addi x4,x0,0xf4
    sb x1,0,x0
    sb x2,1,x0
    sb x3,2,x0
    sb x4,3,x0

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述

    12.SH:sh指令 将操作数寄存器rs2中的低16位数据,写回存储器。

    如:
    lui x1,0xf0f11
    addi x1,x1,0x7ff
    sh x1,12,x0

    汇编器执行结果如下:

    寄存器X1:
    在这里插入图片描述
    数据存储器:
    在这里插入图片描述
    13.SW:sw指令 将操作数寄存器rs2中的32位数据,写回存储器。

    如:
    lui x1,0xf0f11
    addi x1,x1,0x7ff
    sw x1,12,x0

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    14.LB:lb指令从存储器中读回一个8位的数据,进行符号位扩展后写回寄存器rd。

    如:
    lui x1,0x3ef12
    addi x1,x1,0x7ff
    sw x1,12,x0
    lb x2,12,x0
    lb x3,13,x0
    lb x4,14,x0
    lb x5,15,x0

    现在X1寄存器存入一个0x3ef127ff,然后将这32位数存入数据存储器,再从数据存储器中依次读一个字节并进行符号扩展后存入寄存器。汇编器执行结果如下:

    X1寄存器:
    在这里插入图片描述

    数据存储器:
    在这里插入图片描述
    符号扩展写入寄存器:
    在这里插入图片描述
    15.LH:lh指令从存储器中读回一个16位的数据,进行符号位扩展后写回寄存器rd。

    如:
    lui x1,0x3ef12
    addi x1,x1,0x7ff
    sw x1,12,x0
    lh x2,12,x0
    lh x3,13,x0
    lh x4,14,x0
    lh x5,15,x0

    汇编器执行结果如下:

    数据存储器:
    在这里插入图片描述
    符号扩展写入寄存器:
    在这里插入图片描述
    (思考:这里的X5中的83是什么,调出来数据存储器的数据可以看到,由于这里的地址是非对其访问,读两个字节就需要访问两个存储块。因此,为了提升指令的运行效率,使用load和store指令时,尽量采用边界对齐的地址访问)

    16.LW:lw指令从存储器中读回一个32位的数据,写回寄存器rd。

    如:
    lui x1,0xf0f11
    addi x1,x1,0x7ff
    sw x1,0,x0
    lw x2,0,x0

    汇编器的执行结果如下:

    数据存储器:
    在这里插入图片描述

    寄存器:
    在这里插入图片描述
    17.LBU:lbu指令从存储器中读回一个8位的数据,进行高位补零扩展后写回
    寄存器rd。

    如:
    lui x1,0x3ef12
    addi x1,x1,0x7ff
    sw x1,12,x0
    lbu x2,12,x0
    lbu x3,13,x0
    lbu x4,14,x0
    lbu x5,15,x0

    汇编器的执行结果如下:

    数据存储器:
    在这里插入图片描述
    零扩展写入寄存器:
    在这里插入图片描述
    18.LHU:lhu指令从存储器中读回一个16位的数据,进行高位补零扩展后写回寄存器rd。

    如:
    lui x1,0x3ef12
    addi x1,x1,0x7ff
    sw x1,12,x0
    lhu x2,12,x0
    lhu x3,13,x0
    lhu x4,14,x0
    lhu x5,15,x0

    汇编器执行结果如下:

    数据存储器:
    在这里插入图片描述
    零扩展写入寄存器:
    在这里插入图片描述
    19.SLT:slt指令将操作数寄存器rs1中的数值与寄存器rs2当作有符号数进行比较。小于则置一,即如果rs1中的值小于rs2中的值,则输出1,否则输出0,结果写回rd。

    如:
    addi x1,x0,-1
    addi x2,x0,1
    slt x3,x1,x2

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    20.SLTU:sltu指令将操作数寄存器rs1中的数值与寄存器rs2当作无符号数进行比。如果rs1中的值小于rs2中的值,则输出1,否则输出0,结果写回rd。

    如:
    addi x1,x0,-1
    addi x2,x0,1
    sltu x3,x1,x2

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    21.SLTI:slti指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数当作有符号数进行比较,如果rs1中的值小于立即数的值,则输出1,否则输出0,结果写回rd。

    如:
    addi x1,x0,-1
    slti x2,x1,1

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    22.SLTIU:sltiu指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数当作无符号数进行比较,如果rs1中的值小于立即数的值,则输出1,否则输出0,结果写回rd。

    如:
    addi x1,x0,-1
    sltiu x2,x1,1

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    23.SLL:逻辑左移(SLL)根据寄存器(rs2)中的移位量对寄存器(rs1)中的值执行逻辑左移,并存储在(rd)寄存器中。

    如:
    addi x1,x0,4
    addi x2,x0,0xf0
    sll x3,x2,x1

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    24.SRL:逻辑右移(SRL)根据寄存器(rs2)中的移位量对寄存器(rs1)中的值执行逻辑右移,左边空出来的位补0,并存储在(rd)寄存器中。

    如:
    addi x1,x0,4
    addi x2,x0,-0xf0
    srl x3,x2,x1

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    25.SRA:算数右移(SRA)根据寄存器(rs2)中的移位量对寄存器(rs1)中的值执行算数右移,左边空出来的位补符号位,并存储在(rd)寄存器中。

    如:
    addi x1,x0,4
    addi x2,x0,-0xf0
    sra x3,x2,x1

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    26.SLLI:slli指令根据5位立即数的移位量对寄存器(rs1)中的值执行逻辑左移(低位补零),并存储在(rd)寄存器中。
    27.SRLI:srli指令根据5位立即数的移位量对寄存器(rs1)中的值执行逻辑右移(高位补零),并存储在(rd)寄存器中。
    28.SRAI:srai指令根据5位立即数的移位量对寄存器(rs1)中的值执行算数右移(高位补入符号位),并存储在(rd)寄存器中。

    如:
    addi x2,x0,-0xf0
    slli x3,x2,4
    srli x4,x2,4
    srai x5,x2,4

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    29.ADD:add指令将寄存器(rs1)与寄存器(rs2)中的值相加,并写回(rd)寄存器中。
    30.SUB:sub指令将寄存器(rs1)与寄存器(rs2)中的值相减,并写回(rd)寄存器中。
    31.ADDI:addi指令将操作数寄存器rs1的整数值与12位立即数进行加法操作,
    结果写回寄存器rd。

    如:
    addi x1,x0,-1
    add x2,x1,x1
    sub x3,x2,x1

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    32.XOR:xor指令在寄存器(rs1)的内容和寄存器(rs2)的内容之间执行逐位逻辑“异或”运算,并存储在(rd)寄存器中。
    33.OR:or指令在寄存器(rs1)的内容和寄存器(rs2)的内容之间执行逐位逻辑“或”运算,并存储在(rd)寄存器中。
    34.AND:and指令在寄存器(rs1)的内容和寄存器(rs2)的内容之间执行逐位逻辑“与”运算,并存储在(rd)寄存器中。
    35.XORI:xori指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数进行异或操作,
    结果写回rd。
    36.ORI:ori指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数进行或操作,
    结果写回rd。
    37.ANDI:andi指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数进行与操作,
    结果写回rd。

    如:
    addi x1,x0,0b11001100
    addi x2,x0,0b00111111
    xor x3,x1,x2
    or x4,x1,x2
    and x5,x1,x2
    xori x6,x1,0b00111111
    ori x7,x1,0b00111111
    andi x8,x1,0b00111111

    汇编器执行结果如下:
    在这里插入图片描述
    以上就是计划实现的37条指令的用法。下一篇文章开始设计处理器。

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