一、机器指令

每一条 机器语言 的指令叫 机器指令

全部机器指令的 集合 叫机器的 指令系统



指令由 操作码 和 地址码 组成，指令字长 与操作码长度、操作数地址长度、操作数地址个数有关。



操作码：指明该指令要完成的操作、对什么类型的数据进行操作（有的指令系统还在此处说明了操作数的寻址方式），其长度可以固定，也可变化，操作码位数随地址数减少而增加。
	
地址码：指出指令操作数地址、结果地址、下一条指令地址。
注：

操作吗并非一定如上图所示，集中在一个区域，可以分散在指令不同字段中。
	
使用频率高的指令用短操作码，使用频率低的用长操作码，可缩短编译时间
（1）四地址指令

格式：



在执行过程中，访存 4 次，指令直接寻址范围太小

由于程序计数器 PC 有计数功能，可自动形成下一条指令地址，故可得三地址指令。

（2）三地址指令

格式：



在执行过程中，访存 4 次。

若将中间计算结果放入 CPU 寄存器中（而不放入主存），则可省去结果地址，得到二地址指令。

（3）二地址指令

格式：



在执行过程中，访存 3 次。

若将一位操作数直接放于运算器 ACC 中，则得到一地址指令。

（4）一地址指令

格式：



在执行过程中，访存 2 次。

（5）零地址指令

无地址码，如 进栈出栈指令。

二、操作数类型和操作类型

1.操作数类型

地址：无符号整数
	
数字：定点数、浮点数、十进制数
	
字符：ASCII
	
逻辑数据
2.数据存放方式

任意位置开始：浪费存储空间，访存时间短
	
每次从一个字起始位置开始
	
按“边界对准”存储：从地址整数倍位置开始访问。如下图：


3.操作类型

数据传送
	
算数逻辑运算
	
移位：分算术移位、逻辑移位、循环移位
	
转移
	
输入输出（对于 I/O 单独编址的计算机，才有输入输出指令）
	
其他：如等待指令、停机指令等
转移：

分无条件转移、条件转移、调用与返回、陷阱与陷阱指令

调用与返回指令通常配合使用
	
陷阱指令通常不提供给用户，作为隐指令，在有意外故障时由 CPU 自动产生并执行。
三、寻址方式

寻址方式指确定本条指令的数据地址，以及下一条指令的地址的方法。

分为：

指令寻址
	
数据寻址
1.指令寻址

顺序寻址：PC 自动加 1 ，形成下一条指令地址（注意，此处 “1”的含义，若指令字长 32 字节，存储单元 8 字节，则此时 PC+4）
	
跳跃寻址：由转移指令指出
2.数据寻址



（1）立即寻址

特点：形式地址 A 不是地址，而是操作数本身，又称为立即数。

执行阶段不必访存。

（2）直接寻址

特点：形式地址 A 就是有效地址

执行阶段只访存 1 次，但是必须通过修改 A 的值才可修改操作数地址。

（3）隐含寻址

特点：指令字中补明显给出操作数地址，地址隐含于操作码或某个寄存器。



其中，寻址特征部分为隐含寻址，A 为直接寻址。

有利于缩短指令字长。

（4）间接寻址



分为一次间址（如上图）、多次间址（A 所指的还不是最终地址）。

扩大了操作数寻址范围，利于编址程序，缺点为访存时间长。

（5）寄存器（直接）寻址

A 为寄存器编号，操作数在 A 所指寄存器中。

执行时无需访存，执行时间短。

（6）寄存器间接寻址

A 为寄存器编号， A 所指寄存器中存有效地址。

执行阶段仍需访存，便于编写循环程序。

（7）基址寻址



采用专门寄存器做基址寄存器，有效地址 EA = 基址寄存器 BR 中地址 + A



（8）变址寻址



有效地址 EA = 变址寄存器 IX 中地址 + A

与基址寻址不同：

基址寄存器的内容由操作系统、管理程序确定，A 可变。
	
变址寄存器内容由用户确定，A 不可变。，主要用于处理数组问题。
（9）相对寻址

其有效地址为程序计数器 PC 中的地址，与指令字中的形式地址 A 相加而得。

（10）堆栈寻址

堆栈寻址指令字中没有形式代码字段，属于零地址指令。

四、RISC 技术

RISC 精简指令系统计算机


CISC 复杂指令系统计算机


 

本文中图片除第一张外均为刘宏伟教授在中国大学MOOC上的课件截图

在软硬件接口中，CPU 帮我们做了什么事？
CPU 的全称是 Central Processing Unit，中文是中央处理器。从硬件的角度来看，CPU 就是一个超大规模集成电路，通过电路实现了加法、乘法乃至各种各样的处理逻辑。从软件的角度来讲，CPU 就是一个执行各种计算机指令（Instruction Code）的逻辑机器。这里的计算机指令，就好比一门 CPU 能够听得懂的语言，我们也可以把它叫作机器语言（Machine Language）。

一个计算机程序，不可能只有一条指令，而是由成千上万条指令组成的。但是 CPU 里不能一直放着所有指令，所以计算机程序平时是存储在存储器中的。这种程序指令存储在存储器里面的计算机，我们就叫作存储程序型计算机（Stored-program Computer）。
从编译到汇编，代码怎么变成机器码？
平时编写的代码，到底是怎么变成一条条计算机指令，最后被 CPU 执行的呢？我们拿一小段真实的 C 语言程序来看看。



要让这段程序在一个 Linux 操作系统上跑起来，我们需要把整个程序翻译成一个汇编语言（ASM，Assembly Language）的程序，这个过程我们一般叫编译（Compile）成汇编代码。

针对汇编代码，我们可以再用汇编器（Assembler）翻译成机器码（Machine Code）。这些机器码由“0”和“1”组成的机器语言表示。这一条条机器码，就是一条条的计算机指令。这样一串串的 16 进制数字，就是我们 CPU 能够真正认识的计算机指令。

在一个 Linux 操作系统上，我们可以简单地使用 gcc 和 objdump 这样两条命令，把对应的汇编代码和机器码都打印出来。





从高级语言到汇编代码，再到机器码，就是一个日常开发程序，最终变成了 CPU 可以执行的计算机指令的过程。
解析指令和机器码
常见的指令可以分成五大类。

第一类是算术类指令。我们的加减乘除，在 CPU 层面，都会变成一条条算术类指令。

第二类是数据传输类指令。给变量赋值、在内存里读写数据，用的都是数据传输类指令。

第三类是逻辑类指令。逻辑上的与或非，都是这一类指令。

第四类是条件分支类指令。日常我们写的“if/else”，其实都是条件分支类指令。

最后一类是无条件跳转指令。写一些大一点的程序，我们常常需要写一些函数或者方法。在调用函数的时候，其实就是发起了一个无条件跳转指令。


从 if…else 来看程序的执行和跳转


我们把这个程序编译成汇编代码。你可以忽略前后无关的代码，只关注于这里的 if…else 条件判断语句。对应的汇编代码是这样的：

一.基本概念
指令周期的基本概念我用自顶向下来解释。

首先呢，一个指令周期是包括取址周期和执行周期的。取址周期呢是我取出某个指令并且分析该指令；执行周期呢是我执行该指令并且把结果存放到寄存器中去。取址就是说我们把指令从内存单元中把它取出来，取到cpu当中，分析呢，就是把操作码部分给cpu，告诉我们这是一条什么样的指令。执行呢就是比如我们要去取操作数，我们执行完后是不是就要把结果给存回去。
另一方面，指令周期呢又是由若干个机器周期来表示，机器周期呢是由若干个时钟周期来表示。在这里，时钟周期就是最小的单位了。时钟周期又称为节拍，或者T周期，或者cpu时钟周期（注意和cpu周期区别）。机器周期呢又称为cpu周期。
二.基本的指令周期
MOV指令的指令周期

RR指令



取指令周期：

1.程序计数器pc中装入第一条指令地址 101

2.pc中的内容被放在指令地址总线ABUS上并指存进行译码

3.在指存中读出101对应的地址指令为MOV指令，并将指令放入指令总线IBUS上面，通过IBUS装入指令寄存器IR中

4.程序计数器内容+1，变为102

5.指令存储器中的操作码OP被译码

6.cpu识别出了MOV指令。至此，取址周期结束。
执行周期：

1.操作控制器OC送出控制信号到通用寄存器中，选择了R1作为源寄存器，R0作为目标寄存器。

2.OC送出控制信号到ALU，制定ALU做传送操作

3.OC送出控制信号，打开ALU三态门，将数据输出到数据总线DBUS上（任何时候DBUS只能有一个数据）

4.OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR中

5.OC送出控制信号，将DR中的数据打入到目标寄存器中，R0数据由00变为10.至此，执行周期结束。
总结：

三条总线（指令地址总线ABUS   指令总线IBUS  数据总线DBUS）
执行周期中每一个操作都由OC操作控制器输出控制信号来执行

LAD指令的指令周期



取址周期：

1.在程序计数器PC中装入第二条指令地址102

2.指令地址102进入到指令地址总线ABUS上，对指存进行译码

3.将102号地址对应的指令放进指令总线IBUS上，通过IBUS寄存到指令寄存器IR中

4.程序计数器+1，为取下一条指令做准备

5.对操作码OC字段进行译码

6.cpu识别LAD指令，至此，取址周期结束
执行周期：

1.OC发出控制命令给IR输出三态门，将指令中的直接地址码6传入到数据总线DBUS上

2.OC发出操作命令，将地址码6装入到数存地址寄存器AR

3.OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上

4.OC发出命令，将DBUS上的数放入数据缓冲寄存器中DR

5.OC发出命令，将DR中的数100装入通用寄存器R1，原来R1中的数被覆盖了。至此，执行周期结束
总结：

RS型指令有三个cpu周期，一次访问指存，一次访问数存，还有一次执行
取址周期都一样，具体差别在执行周期上

ADD指令的指令周期


取址周期同上。

执行周期：

1.OC送出控制信号到通用寄存器，选择R1作为源寄存器，R2作为目标寄存器

2.OC送出控制信号到ALU，指定ALU做R1和R2的加法

3.OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将数据120放到DBUS中

4.OC送粗控制信号，将DBUS上的数据打入到缓冲寄存器DR中 ，ALU产生的进位信号保存在状态寄存器PSWR中

5.OC送出控制信号，将DR中的数放入到R2，R2原来的数被120覆盖。至此，执行周期结束。
STO指令的指令周期



执行周期：

1.操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，选择R3做数据存储器的地址单元

2.OC发出操作命令，打开了通用寄存器三态门（不经过ALU，节省时间），将地址30放入到DBUS总线上。

3.OC发出操作命令，将地址30打入数存寄存器AR中，并进行数存译码  4.OC发出操作命令到通用寄存器，选择120，作为数存的写入数据

5.OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将120放在DBUS上

6.OC发出操作命令，将数据120写入到数存30号单元。
JMP指令的指令周期

执行周期：

1.OC发出操作控制命令，打开指令寄存器IR的输出三态门，将IR中的地址码101发送到DBUS上

2.OC发出操作控制命令，将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中，PC中原先内容106被替换。于是，下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到101号单元取出。至此，JMP执行周期结束。
总结：
MOV指令  和  ADD指令   都是RR指令；类型相同，执行周期过程也相同

操作通式：

到通用寄存器中找到目标寄存器和源寄存器地址
告诉ALU他要做什么运算（加法还是传送）
将处理好的数据通过ALU三态门输出到DBUS总线上
将数据打入到DR（数据缓冲寄存器）
将数据覆盖掉目标寄存器中原有的数据
完。

LAD指令和STO指令都是RS指令，之所以相较于RR多了一个周期，是因为要访问数存（cache）
LAD指令操作通式：

打开IR（指令寄存器）输出三态门，将直接地址打入到DBUS总线
将数据打入到AR（数据地址寄存器）中去
找到数存直接地址（6）对应的那个寄存器，将里面的数（100）放入到DBUS总线上
打入到DR（数据缓冲寄存器)
覆盖掉通用寄存器R1原有的数据
完。

STO指令操作通式：

打开IR输出三态门，将R3传送到DBUS上面
将R3打入到通用寄存器中，取出里面的数据
打开通用寄存器三态门，将数据打入到DBUS总线上
传入到AR，找到30对应的那个寄存器
打开IR输出三态门，将R2传送到DBUS上面
将R2打入到通用寄存器中，取出里面的数据
打开通用寄存器三态门，将数据打入到DBUS上
传入AR，将数据写入30对应寄存器中，原有的数据（40）被覆盖了
完。

计算+指令
一、指令周期

取得指令 从PC寄存器中取出要执行的那条指令的地址 然后从内存中找到具体的指令 加载到指令寄存器中，然后把PC寄存器自增 好执行下一条指令
指令译码 根据指令寄存器中的指令 解析成要进行什么样的操作，是R I J 中的哪一种指令，具体操作那些寄存器，那些数据或者内存地址。
执行指令 对这些R I J 指令 进行算数逻辑操作，数据传输或者直接地址跳转

这样一个循环成为指令周期
取指令阶段、指令译码 指令是放在存储器中的，是由控制器完成的

执行指令 由算数逻辑单元(ALU)操作的 也就是运算器，简单跳转也可以直接在控制器中完成。
二、机器周期或CPU周期

CPU周期：从内存中读取一条指令的最短时间成为CPU周期，相比于CPU内部执行的速度 从内存中读取指令的操作算慢的了
时钟周期：跟主频有关，CPU可以识别的最小时间单位，就是每隔那个时间单位会驱动CPU做一次操作

一个指令周期包含多个CPU周期 一个CPU周期包含多个时钟周期
三、建立数据通路

操作元件 组合逻辑元件其实就是ALU 在特定的输入条件下会生成特定的输出
存储元件 就是用到的寄存器，无论是通用寄存器 还是状态寄存器

建立数据通路 就是 通过数据总线的方式把他们链接起来 完成数据的存储 处理和传输

控制器 就是把 Fetch Decode Execute 循环中最后一步的信号交给ALU处理，控制器就是产生不同的信号交给ALU做不同的计算
四、所需要的硬件电路

ALU 组合逻辑电路
能够进行状态读写的电路元件 就是寄存器 能够保存我们上一次的计算结果
自动的电路 不停的实现PC寄存器的自增
译码器电路 无论是指令decode 还是拿到内存地址去获取对应的数据或者指令都需要一个译码的电路

五、时序逻辑电路

时钟信号两个开关+磁性线圈 一个开关A 一个B 开关A默认是打开的 开关B是关闭的 A 由我们手动控制 当A 将关闭时 线圈通电 将B吸开 此时断电 线圈失去磁性，开关B就会再重新接通 这样整个线路就是在打开和关闭之间切换。

对于下游电路来讲就是不断的01信号 这就是时钟信号 这种电路叫做反馈电路，就是自己的输出又是自己的输入

D触发器 实现存储功能 此处的逻辑比较复杂 总之使用或非门实现的 输出的状态还要取决于上一次的状态 寄存器就是通过这样的逻辑实现的。

通过反馈电路创建了时钟信号 然后利用时钟信号和门电路组合 实现了状态记忆的功能
六、PC寄存器 也叫程序计数器

有了时钟信号，可以提供定时的输入，有了D触发器 可以在时钟信号控制的时间点写入数据
加法器的两个输入，一个时钟设置成1 一个来自D触发器，然后把结果在写入D触发器，这样PC寄存器就实现了自增
每次自增之后，就可以去对应的D触发器里取值，就是下一条要执行的指令。
时序逻辑电路核心就是在固定的时间内内存取值 命令执行

七、译码器
本质上是来寻址的，比如有64个开关，就是有2的64次方的寻址能力
八、构造一个CPU
基本组成：D触发器、自动计数器 译码器、ALU 一个CPU的必须零件

自动计数器 随着时钟主频不断的自增 来作为我们的PC寄存器
在自动计数器后面链接译码器，同时连接着内存
PC寄存器会不断的自增，从译码器中找到对应计数器所表示的内存地址，然后取出里面的CPU指令
读出的CPU指令会通过CPU时钟控制，写入指令寄存器中
写入指令寄存器之后，再通过一个译码器解析出指令的opcode和操作数，而不是寻址了
拿到opcode和操作数后，输出线路连接到ALU，开始进行各种算数逻辑运算，结果再次写入寄存器或者内存中。

if/else 再探索
编译器编译之后 变成一个cmp和jump 指令 是否跳转以及跳转之后的地址需要根据cmp的结果 也就是更新的PC寄存器结果 然后CPU执行。