指令系统基础

复习

• 除法器：除法拆成逐位试减和移位，并用状态机推动
• 从寄存器到存储器：用地址、译码器和存储矩阵实现容量更大的存储器
• 一台会记事的小计算机：把运算器和存储器组装成能连续计算并保存结果的机器

TL;DR

• 指令是机器能执行的一条命令
• 操作码说明做什么，操作数说明对谁做
• 指令也是一串比特，因此可以和普通数据一起存放

正文

　　上一章那位忙碌的人类指挥员，嘴里念叨着：“读地址 20”“读地址 21”“做加法”“写到地址 22”。要让机器自己工作，第一步就是把这些话翻译成机器能处理的固定格式——一串比特。

　　这样的一句机器能听懂的话，叫作指令（instruction）。

一句话的两部分

　　一条指令至少要回答两个问题：

• 做什么：操作码（opcode）
• 对谁做：操作数（operand）

　　这其实和日常说话很像：“把盐递给我”里，“递”是动作，“盐”是对象。机器语言也遵循同样的套路，只是把动作和对象都编码成了数字。

　　例如，给极简机器约定这样一张表：

　　若后面 8 位用来写地址，那么：

0001 00010100

　　就可以表示“把地址 20 的数据读入 A”。前 4 位是操作码，后 8 位是操作数。拆开来读，意思清清楚楚。

编号本身没有魔法

　　为什么 0001 表示读取，而不是加法？没有为什么，这不过是设计者的约定。

　　这就像字符编码里约定 65 表示字母 A。数字 65 本身并没有“A 性”，只是因为收发双方用了同一张表，它才代表 A。机器世界里的约定，只要你我都照同一张表解释，就成立。

　　所有可用指令，以及它们的编码规则，合起来叫作指令集（instruction set）。一台机器全部的本事，就写在这张表里。

指令也是数据

　　指令写成比特以后，外表和数字没有任何区别。它一样可以被存入、读取和搬运。

　　真正的不同只在于谁来解释它：控制器把这串比特当作命令来执行，ALU 则把另一串比特当作数值来计算。同一堆比特，进了不同的部件，就活成了不同的东西。

从哪里取操作数

　　“对谁做”里的那个“谁”，通常不是直接写在指令里的数，而是一个地址。那么，这个地址怎样变成真正的数据？这就引出了寻址方式（addressing mode）。

　　常见的几种：

• 立即寻址：操作数就是指令里直接给出的那个数
• 直接寻址：指令里给的是数据所在的地址
• 间接寻址：指令里给的是一个地址，那个地址里才存着真正的目标地址
• 寄存器寻址：操作数就放在某个寄存器里
• 变址／基址寻址：地址由“基址 ＋ 偏移”算出来，特别适合访问数组和结构体

　　寻址方式越丰富，一条指令能表达的意思就越多，程序也能写得更紧凑。它是后面理解汇编语言、以及编译后端怎样生成取数指令的基础。

　　现在，我们可以把许多条指令依次放进存储器了。可机器执行完第一条以后，怎么知道第二条在哪？下一章，我们给它一根始终指向“下一条指令”的手指。

思考题 1

　　同一串比特为什么既可能是数字，也可能是指令？机器靠什么决定怎样解释它？

思考题 2

　　如果两台机器用了不同的指令集，同一段程序能在它们上面直接运行吗？为什么？

小结

知识点

• 指令由操作码和操作数组成
• 指令集规定机器能听懂哪些编码
• 指令与普通数据在存储器里都是比特

参考资料

1. Wikipedia(zh)：指令集架构：处理器能理解的指令与编码规范
2. Wikipedia(zh)：操作码：指令中说明“做什么”的部分

思考题答案（仅供参考）

思考题 1

　　比特本身没有自带含义。它来自哪个位置、被送到哪个部件，决定了它的解释方式：进入指令寄存器并交给控制器时被当作命令，进入运算器时则可能被当作数字。所以“含义”是使用方式赋予的，而不是比特自带的。

思考题 2

　　通常不能。指令集是机器与程序之间的约定，操作码的编号、指令的格式都可能不同。同一串比特在另一台机器上，可能被解释成完全不同的指令，甚至根本没有对应含义。这正是软件兼容性问题的根源。

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设计师 | 南国微雪