指令系统基础

复习

1. 第十八章：设计完成了算术逻辑单元（ALU），它可以完成多种运算
2. 第二十七章：做出了累加器，它是运算部件的雏形
3. 第二十八章：了解了时序逻辑电路与状态机

TL;DR

• 硬件电路是“死“的，只能做固定的运算；要让机器做不同的事，就得引入“指令“
• 一条指令 = 操作码（做什么）+ 操作数（对谁做）
• 指令按功能分为：数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移
• 指令格式有定长与变长两种，各有取舍

正文

从电路到指令

　　回头看，我们造的电路都很“死“：加法器只会加，减法器只会减。如果想让机器做一件新事，就得重新接一次线，这显然不现实。

　　就像钢琴，琴键按下去只能发出固定音高；真正让它能弹奏无数曲子的，是“乐谱“。我们也可以给计算机配一份“乐谱“——一串事先约定好的操作命令，让它照着做。

　　这串命令，就叫指令（Instruction）。

一条指令长什么样

　　一条指令至少要说清两件事：

1. 做什么？——这部分叫操作码（Opcode），比如“加““减”“跳转”
2. 对谁做？——这部分叫操作数（Operand），可以是立即数、寄存器编号或内存地址

　　举例来说，ADD R1, R2, R3 的意思就是“把 R2 和 R3 相加，结果放进 R1“。其中 ADD 是操作码，R1/R2/R3 是操作数。

　　冯·诺依曼体系结构最天才的一点，就是把指令和数据一起放在存储器里。指令不再需要额外接线，而是和普通数据一样被读取、被处理。程序因此变成了可以存储在磁盘上、随时加载的东西。

常见的指令类型

　　现实中的指令成百上千，但按功能大致分四类：

1. 数据传送：搬运数据
   • MOV R1, R2：把 R2 的值复制到 R1
   • LOAD R1, [addr]：从内存读进寄存器
   • STORE [addr], R1：把寄存器写回内存
2. 算术运算：加减乘除
   • ADD、SUB、MUL、DIV
3. 逻辑运算：与或非、移位
   • AND、OR、NOT、LSL（逻辑左移）等
4. 控制转移：改变执行顺序
   • JMP：无条件跳转
   • BEQ、BNE、BGT：满足条件才跳转

　　前几类靠 ALU 就能完成，第四类则决定了程序能不能“拐弯“。

定长还是变长

　　指令在机器里就是一串二进制码，怎么划分这些码，有两种设计：

• 定长指令：所有指令一样长。译码简单、流水线友好，但可能浪费空间
• 变长指令：指令长度不一。更省空间、表达能力更强，但译码复杂

　　这就像快递盒：统一尺寸好装箱、好分拣，但不一定贴着货物；定制尺寸省材料，但分拣起来麻烦。两种路线各有代表（RISC 偏向定长，CISC 偏向变长），至今仍在竞争。

思考题

　　为什么冯·诺依曼体系结构要把“指令“和“数据“放在同一个存储器里？这样做有什么好处，又可能带来什么问题？

小结

知识点

• 指令与操作码、操作数
• 存储程序思想
• 指令的四大类型
• 定长与变长指令格式

参考资料

1. Wikipedia(zh)：指令集架构：指令集的基本概念
2. Wikipedia(zh)：汇编语言：低级编程语言
3. Wikipedia(zh)：RISC：精简指令集计算机

思考题答案（仅供参考）

　　好处：指令像数据一样存在内存里，程序可以被灵活加载、修改，硬件只需一套取指-译码-执行的机制，通用性大大增强。问题：指令和数据混在一起，如果程序出错、跳转到数据区去执行，就会把数据当指令执行，这既是“程序可以自我修改“的灵活之处，也是很多漏洞（如缓冲区溢出攻击）的根源。

协议

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设计师 | 南国微雪