计算机组成原理【CO】Ch4 指令系统-编程知识

文章目录

考纲
- 第四章指令系统
- 4.1 指令格式
- 4.2 指令的寻址方式
- 4.3 程序的机器级代码表示
- 4.4 CISC和RISC的基本概念
【※】扩展码指令计算
【※】指令系统【指令格式】
【※】指令的寻址方式
【※】指令的机器级代码表示
- x86汇编指令（重点关注 intel 格式）
- MIPS 汇编指令
【※】转移指令的基本过程
【※】解题方法
- 先观察汇编语⾔，是x86还是MIPS？
- x86
- MIPS
AT&T vs Intel
CISC和RISC

考纲

第四章指令系统

本章通常在小题中考察，在大题中可能作为题目条件，或者仅作为大题的某个小问来考察。理解本章（特别是4.1、4.2小节）对于读懂计组大题至关重要。王道书的4.3部分（程序的机器级代码表示）是2022年大纲新增的内容。由于涉及到汇编语言相关知识，因此该部分对跨考同学来说是一块硬骨头。但请大家放心，计组这门课不会深入考察汇编语言，你只需要有个大致的了解，能看懂题目里出现的汇编语言指令即可，不要求你具备手写汇编语言的能力。

4.1 指令格式

本节常在小题中考察，或者作为大题的一个小问考察
本节难点是“扩展操作码指令格式”，需通过课后习题体会其考法

4.2 指令的寻址方式

第四章最重要的一个小节，历年真题中，小题考察过9次，大题考察过5次，值得多花时间
在学习进度打卡表中，为大家挑选了几个必做大题，需认真完成，有助于你深入理解各种寻址方式

4.3 程序的机器级代码表示

本节是2022年大纲新增考点，但事实上，2017年、2019年就已考过。因此严格来说，这个考点不算全新考点。本科阶段没学过“汇编语言”的同学，建议先看视频、再看王道书，直接硬啃书可能很难理解。
2017年、2019年的两个题目已收录在王道书4.3课后习题里，非常具有代表性。由于两个大题也考察了其他章节的知识，因此第一轮复习中可能会看不懂题目，这很正常，莫慌。强化阶段，我们会一起研究这两个题目。
汇编语言指令需要能手写吗？——不需要。这门课是“计组”，而不是“汇编语言”，不要求你手写。只要你在题目里看见一条指令，能大致猜出其作用即可。大家可以在一张纸上把课本里的这些汇编指令分类抄下来，但不加注释，以后偶尔拿出来看一眼，看看能不能回忆起每条指令作用，如果回忆不起来，再回去课本里复习。
条件转移指令的底层原理很重要，经常结合第二章“CF/SF/ZF/OF标志位的生成”来考察，在视频里会给大家详解介绍，需认真理解。

4.4 CISC和RISC的基本概念

本节通常考小题，低频考点，重点理解两种指令集之间的区别即可
随着第五章的学习，大家对CISC和RISC的理解会更具体，因此第一轮复习时对本节的一些知识点感觉比较模糊也没关系，第二轮再次复习效果会更好。

【※】扩展码指令计算

指令长度为 n 位，每个地址占 t 位。有 a 条零地址指令，b 条一地址指令，c 条二地址指令，d 条三地址指令，则有式子：
$\times 2^t + c \times 2^{2t} + d \times 2^{3t} \leq 2^n$

考试考查：

题型一：求 x 地址指令条数
题型二：求指令长度 n，或地址字段位数 t

【※】指令系统【指令格式】

在这里插入图片描述

【※】指令的寻址方式

在这里插入图片描述
常考点

速度方面：立即寻址 > 寄存器寻址 > 直接寻址 > 寄存器间接寻址 > 间接寻址
基址寻址和变址寻址的区别

	基址寻址	变址寻址
有效地址	EA = (BR) + A	EA = (IX) + A
寄存器内容	由操作系统或管理程序确定	由用户设定
程序执行过程中值是否可变	不可变	可变
特点	多用于多道程序设计和编制浮动程序	有利于处理数组问题和编制循环程序

程序控制是靠转移指令而非寻址方式实现的。
简化地址结构的基本方法是尽量采用隐地址。
指令寻址的方式有顺序和跳跃两种，采用跳跃寻址方式可以实现程序的无条件转移和条件转移。
指令字表示一条指令的机器字，就称为指令字，通常简称指令。

【※】指令的机器级代码表示

x86汇编指令（重点关注 intel 格式）

在这里插入图片描述

MIPS 汇编指令

在这里插入图片描述

【※】转移指令的基本过程

取指令

根据 PC 取出本条指令
修改 PC 为顺序执行的下一条指令地址
- (PC) + “1” -> PC

分析指令

检测转移条件是否满足

执行指令

大前提：PC 已经 + “1” 了
若条件满足，则转移，修改 PC 为目标地址
- 按字节编址【CISC|RISC】：(PC) + 指令字长 × OFFSET（指令条数）
- 按字编址【RISC】：(PC) + OFFSET，此时指令条数 = OFFSET / 指令字长
- PS：CISC 指令集一定是按字节编址的（因为指令的字长不固定）
- OFFSET 是用补码进行表示
若条件不满足，则不转移，不需要修改 (PC)

具体某条转移指令的目标地址范围

已知具体 (PC)，分析出 A 的取值范围为 a1 ~ a2
则目标地址范围为 (PC) + a1 ~ (PC) + a2

转移指令的目标地址范围

分析 (PC) 和 A 各自的取值范围，得到范围1；
分析存储器的地址范围，得到范围2；
取范围1和范围2的交集。

【※】解题方法

先观察汇编语⾔，是x86还是MIPS？

在这里插入图片描述

x86

先搞懂 C 语言
基于 C 语言的逻辑分析机器指令
- 分支结构：jxxx 指令
- 循环结构：jxxx 指令、loopxxx 指令
- 函数调用：call 指令、ret 指令
- 需不需要访问函数调用参数？观察在汇编语言中如何访问调用参数？
  - 函数调用参数一般在 [ebp+8]、[ebp+12] 等位置
- 需不需要定义局部变量？观察在汇编语言中如何访问局部变量？
  - 局部变量的存储地址一般在 [ebp-4]、[ebp-8]、[ebp-12] 等位置