指令系统

指令系统全：基本概念、寻址方式、CISC/RISC与x86机器级代码表示。

4.1 指令系统的基本概念

4.1.1 指令执行过程的描述

以取数指令为例，描述指令执行过程：

1. 取指令：$(PC) \to MAR \to M \to MDR \to IR$

   • 将PC的内容送往MAR，MAR内容送地址线。
   • 主存根据地址读出指令送到数据线。
   • MDR从数据线接收指令，传送到IR。

2. 分析指令：$OP(IR) \to CU$

   • 将IR中指令的操作码部分送控制器进行译码。

3. 执行指令：$AD(IR) \to MAR \to M \to MDR \to ACC$

   • 将IR中的地址码送MAR。
   • 主存根据地址取出操作数，经MDR传送到ACC。

4. 更新PC：$(PC) + 1 \to PC$，计算下一条指令地址。

注意：

• 括号表示寄存器中的内容，箭头左边需加括号，右边不加。
• 多个箭头时，除第一个寄存器外，其余可省略括号。
• 若要求每条语句只描述一次传输，需严格使用括号。

4.1.2 指令集体系结构 (ISA)

指令系统是ISA的核心部分，ISA定义了软件与硬件的接口，包括：

• 指令格式、寻址方式、操作类型。
• 操作数类型、存放方式（大端/小端）。
• 可访问的寄存器、存储空间编址。
• 指令执行控制方式（PC、条件码等）。

4.1.3 指令的基本格式

指令由操作码和地址码组成：

指令字长

• 与机器字长无固定关系，可为单字长、半字长、双字长。
• 定长指令字：所有指令长度相等。
• 变长指令字：指令长度随功能变化。

按地址码数量分类

4.1.4 可变长度操作码（扩展操作码）

• 通过减少地址码位数来增加操作码位数。
• 规定：短码不能是长码的前缀，操作码不可重复。

示例

指令字长16位，地址码4位：

• 三地址指令：15条（1111留作扩展）
• 二地址指令：15条（1111 1111留作扩展）
• 一地址指令：15条（1111 1111 1111留作扩展）
• 零地址指令：16条

典型例题

设指令字长16位，地址码6位。二地址指令15条，一地址指令34条，求零地址指令最多多少条？

解法：

• 二地址：操作码4位，0000~1110共15条。
• 一地址：操作码10位，最高4位为1111，剩余6位，最多64条。用其中34条（如11110 00000 ~ 11111 00001）。
• 零地址：操作码16位，最高5位为11111，次5位为00010~11111（30种），低6位任意，共 $30 \times 2^6$ 条。

4.2 指令的寻址方式

4.2.1 形式地址与有效地址

• **形式地址 (A)**：指令中给出的地址码。
• **有效地址 (EA)**：操作数在存储器中的真实地址。

4.2.2 常见寻址方式

基址与变址对比：

• 基址：BR不变，A可变（偏移量），面向系统。
• 变址：IX可变，A不变（基地址），面向用户。

4.3 CISC 与 RISC 的基本概念

4.4 程序的机器级代码表示（x86）

4.4.1 常用汇编指令

寄存器

• 32位通用寄存器：EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP
• 低16位：AX, BX, CX, DX
• 8位：AH/AL, BH/BL, CH/CL, DH/DL
• ESP（栈指针），EBP（基址指针）

指令格式（Intel风格）

• 目标操作数在前，源操作数在后。
• 内存寻址用 []，如 [eax + ebx*2 + 8]。
• 数据长度：byte ptr、word ptr、dword ptr。

数据传送指令

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mov eax, ebx          ; ebx → eax
mov byte ptr [var], 5 ; 5 → var指向的字节
push eax              ; eax入栈
pop eax               ; 栈顶 → eax

算术与逻辑指令

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add eax, ebx          ; eax + ebx → eax
sub eax, 10           ; eax - 10 → eax
inc eax               ; eax++
dec dword ptr [var]   ; var指向的4字节自减1
imul eax, [var]       ; eax * [var] → eax
imul esi, edi, 25     ; 25 * edi → esi
idiv ebx              ; edx:eax / ebx → eax商, edx余数
and eax, 0Fh          ; 保留低4位
xor edx, edx          ; edx清零
shl eax, 1            ; 左移1位
shr ebx, cl           ; 右移cl位

控制流指令

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label:                ; 标签
jmp label             ; 无条件跳转
cmp eax, ebx          ; 比较，设置条件码
je done               ; 相等则跳转
jne done              ; 不等则跳转
jg / jge / jl / jle   ; 大于/大于等于/小于/小于等于
call func             ; 调用子程序
ret                   ; 返回

4.4.2 选择语句的机器级表示

C语言 if-else 结构：

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if (op1 == op2) {
    X = 1; Y = 2;
} else {
    X = 3; Y = 4;
}

对应汇编：

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mov eax, op1
cmp eax, op2
jne L1
mov X, 1
mov Y, 2
jmp L2
L1:
mov X, 3
mov Y, 4
L2:

4.4.3 循环语句的机器级表示

编译器将 for/while 转换为 do-while 形式。

示例：自然数求和

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int sum = 0;
for (int i = 1; i <= n; i++) {
    sum += i;
}

转换为 do-while 形式后，对应汇编：

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mov eax, 0        ; sum = 0
mov edx, 0        ; i = 0
cmp edx, ecx      ; 比较 i 和 n (n在ecx)
jg L2             ; if i > n, 跳转
L1:
add eax, edx      ; sum += i
add edx, 1        ; i++
cmp edx, ecx      ; 比较 i 和 n
jle L1            ; if i <= n, 继续循环
L2:

4.4.4 过程调用的机器级表示

调用过程（P调用Q）

1. P将参数放到Q能访问的位置。
2. P保存返回地址，call Q 转移控制。
3. Q保存P的现场（被调用者保存寄存器）。
4. Q分配局部变量空间。
5. 执行Q。
6. Q恢复现场，将返回值放入 eax。
7. ret 返回P。

调用者保存与被调用者保存

栈帧

• EBP：当前过程栈帧基址（固定）
• ESP：栈顶指针（动态变化）
• 栈向低地址增长

示例：过程调用与栈帧

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int add(int x, int y) { return x + y; }
int caller() {
    int temp1 = 125, temp2 = 80;
    int sum = add(temp1, temp2);
    return sum;
}

汇编实现（caller部分）：

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caller:
push ebp                ; 保存上一栈底
mov ebp, esp            ; 设置新栈底
sub esp, 24             ; 分配24字节空间
mov [ebp-12], 125       ; temp1
mov [ebp-8], 80         ; temp2
mov eax, [ebp-8]        ; temp2 → eax
mov [esp+4], eax        ; 参数2入栈
mov eax, [ebp-12]       ; temp1 → eax
mov [esp], eax          ; 参数1入栈
call add                ; 调用add，返回值在eax
mov [ebp-4], eax        ; 返回值存入sum
mov eax, [ebp-4]        ; sum → eax（返回值）
leave                   ; 恢复栈帧
ret

栈帧结构示意

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高地址
+-----------------+
| 调用者栈帧       |
+-----------------+ ← ebp (调用者)
| 返回地址        |
+-----------------+
| 保存的ebp       | ← ebp (caller)
+-----------------+
| 局部变量        |
| ...             |
+-----------------+ ← esp
低地址

备考tips

• 指令执行过程：重点关注微操作序列与数据通路结合题。
• 扩展操作码：掌握计算最大指令数的方法。
• 寻址方式：区分基址与变址，理解有效地址计算。
• CISC vs RISC：对比记忆，关注RISC特点（LOAD/STORE架构）。
• 汇编与C对应：能根据C代码写出关键汇编片段，或反之理解程序逻辑。
• 过程调用：理解栈帧变化、参数传递、返回值存放（eax）。