指令系统 基础知识 指令一般由 操作码op、寻址特征C、地址码A 组成 根据地址数的个数，一般分为 零、一、二、三地址指令

• ISA 规定了：数据类型及格式、指令格式、寻址方式和可访问地址空间大小、I/O 空间的编址方式、中断 结构、机器的工作状态定义和切换、输入输出结构和数据传送方式、存储保护方式等
  • ISA 指的是软件可以感知的部分，称为软件可见部分
  • 而指令具体在硬件上如何执行的，称为微体系结构、微架构，这是软件不可感知的，例如如何实现加法器
  • 综上，不同微架构的机器可以使用相同的 ISA

定长操作码指令 操作码为固定位数 n 位，那么可以支持的指令个数只有

变长操作码指令 指令字长一般固定，有以下几点需要注意：

1. 短op 不能是 长op 的前缀
2. op 不能重复
3. 一般频率较高的指令分配短 op，依次减少译码时间 做题策略：

• 从短 op 开始讨论，短 op 尽可能分配，但要留出 n 种用来扩展
• 如果是给了四地址，二地址，判断三地址的最多的个数：需要注意三地址码（短op）不能占据二地址码（长op）的，但是反过来可以，所以有可能出现指令操作码不完全分配干净情况。
• 例1：在一个指令系统中，指令字长为32，一个地址码为6位，指令分为4地址指令、3 地址指令和2地址指令，已知4地址指令有 254条，2地址指令有 4097条，则3地址指令至多有多少条?
• 法一：四地址留出了 10 和 11 用来扩展，这里2地址 op 有 20 位，高八位先用 1111 1111，后十二位全可以分配，共 4096 个，还有一个可以占据三地址的 10，所以再分配一个 1111 1110 | 1111 1111 1111，而三地址则高八位固定只能是 1111 1110，其还剩 6 位 op，只能是 000 000 ~ 111 110
• 法二：首先四地址留出了两个来扩展，所以三地址一共只有
  种，但需要留出一部分给二地址；因为二地址要 4097 个，一共 20 位 op，其专属第三个字段部分可以有
  种，所以前十二位的部分还得占用至少
  向上取整为 65 种，故 128 - 65 = 63 个
• 例2：在一个指令系统中，指令字长为 32，一个地址码为 6 位，指令分为 4 地址指令、3 地址指令和 2地址指令，已知 4地址指令有 254 条，2 地址指令有 4095 条，则 3 地址指令至多有多少条?
• 法一：四地址留出了 10 和 11 用来扩展，这里2地址 op 有 20 位，高八位先用 1111 1111，后十二位全可以分配，共 4096 个，只需要 4095 个，多出来的一个三地址无法使用。而三地址则高八位固定是 1111 1110，其还剩 6 位 op 任意分配共
  个
• 法二：首先四地址留出了两个来扩展，所以三地址一共只有
  种，但需要留出一部分给二地址；因为二地址要 4095 个，一共 20 位 op，其专属第三个字段部分可以有
  种，所以前十二位的部分还得占用至少
  向上取整为 64 种，故 128 - 64 = 64 个 寻址方式 立即寻址
• 地址码为 立即数
• 获取操作数访存次数：0 直接寻址
• 地址码为 有效地址
• 获取操作数访存次数：1 寄存器寻址
• 地址码为 寄存器编号
• 获取操作数访存次数：0，由寄存器给出 间接寻址
• 地址码为 有效地址的地址（假设一次间接）
• 获取操作数访存次数：2
  • 将操作码指向的内存中的数据传到 MAR，再进行访存，得到操作数，一共两次 寄存器间接寻址
• 地址码为 寄存器编号
• 获取操作数访存次数：1
  • 从寄存器中获取有效地址，再访存得到操作数，共 1 次 基址寻址
• 地址码为 偏移量，为补码形式
• 有效地址 = 偏移地址 + 基址寄存器的值
• 面向 OS：基址寄存器只能由 OS（内核态）修改，可以实现动态重定位，有利于多道程序与程序浮动
• 一般分为有基址寄存器和无基址寄存器，如无，则可以在指令中加上一个寄存器编号 变址寻址
• 地址码为 基准地址，例如数组首地址，而偏移量由变址寄存器给出
• 有效地址 = 基准地址 + 变址寄存器的值
• 面向用户：这里的基准地址可以由用户（用户态）修改，便于实现线性表的遍历
  • 变址寄存器可以由通用寄存器实现，也可以是专门的变址寄存器，存了偏移量（数组下标） [图片] 相对寻址
• 地址码为 偏移量，可正可负为补码形式
• 有效地址 = （PC) + 偏移量
  • 注意这里的 PC 再取指后可能会加 “1”，具体看题目，且 PC 其指向了指令在内存中的首地址，且 + 1 的单位为一个指令字长
    • 尤其是根据 jmp 计算相对寻址的偏移量，勿忘此时 PC 已经指向了下一条指令，所以偏移量得多个 2
  • 例如：指令字长为 4B，1 字为 1 B，则向前跳 16 个指令下，新的地址 addr = PC + 1 * 4 - 16 * 4 = PC + (1 - 16) * 4
• 常用于转移指令 jmp A
• 便于实现相对转移以及程序的浮动 指令设计风格 RISC vs. CISC
• 408 中：
  • 出现：指令流水线、load / store，一定是 RISC
  • 出现：采用微程序控制，一定是 CISC [图片] MIPS 指令 MIPS 为 RISC 风格的，采用 32 位定长指令字，32 位机器字长，故所有寄存器也为 32 位。操作码字段也是固定的长度，无专门的寻址方式字段。 访存指令只有 load 和 store 寄存器 MIPS 提供了 32 个寄存器，故一般寄存器编号占 5 bit [图片]
• a0 - a3：存非浮点数的调用入口参数。A 先存入 a 中再调用 B，若参数 > 4 个，则其余存入栈中。若 A 在 B 返回后也要使用 a，则 A 自己保存。
• v0 - v1：存从 B 返回的非浮点数的返回值。B 返回前先将返回值存入 v，再返回
• ra：存返回地址；A 调用 B 时通过 jal 自动将返回地址 PC + 4 存入 ra 寄存器；B 返回 A 时通过 jr ra 将 ra 寄存器中的值存入 PC
• s0 - s7：称为保存寄存器（被调用者保存），若里面 B 过程中需要使用 s，则在开始段中先将其存入栈，并在返回前恢复，其值回到 A 后仍能被继续使用
• t0 - t9：称为临时寄存器（调用者保存），若 t 中的值在 B 返回后 A 仍需使用，则 A 自己保存。其值无需由被调用者 B 保存，自由使用即可 [图片]

1. R 型指令 [图片] R 型指令限定为寄存器之间操作的指令，rs、rt 为两个来源寄存器编号，rd 为目标寄存器编号；op 字段固定为 000 000，具体操作类型由 func 字段指明；shamt 为位移指令的位移字段

• 由于 R 型指令 op 固定为 000 000，所以 I 型 J 型指令一共只有 63 种操作码

2. I 型指令 [图片] I 型指令是立即数指令，一般分为下面几种

• 双目运算类：rs + 立即数 —> rt
• load / store：寄存器在左边，内存在右边
  • load：rt <— M[rs + 立即数]
  • store：rt —> M[rs + 立即数]
• 条件转移（相对寻址）：if (rs ? rt) PC <— (PC + imm)

3. J 型指令 [图片] 常用指令 [图片] [图片]

• 赋值给寄存器：总是给最左边的
• 和主存交互，左边的是寄存器部分，右边的是主存部分 MIPS 的过程调用 过层调用，又称 函数调用、子程序调用。
• ra：存返回地址（在 jal 指令中会先 ra = PC + 4 再 jump）
• fp：存当前函数栈的栈桢（栈底），其指向的存储单元一般保存了返回地址 MIPS 所有寄存器均为 32 位长度，存储单元大小也为 4B，其地址 A，表示的是字节为 (A, A+1, A+2, A+3) 的存储单元，例如：fp 中存了 48，则表示（48，49，50，51）这个存储单元 【过程调用流程】假设函数 A，调用函数 B
• 寄存器：
  • 保存寄存器 s0 - s7，如果从被调用过程返回后 A 还要用，被调用者 B 需要保存
  • 临时寄存器 t0 - t9 ，其值在被调用过程返回后不需要被用。如果需要的话，由调用者 A 提前保存
  • ra 寄存器，存了当前有用控制权的函数执行完后的返回地址
  • fp 寄存器，存了当前函数的栈桢（一般保存了被调用者 B 执行完后的返回地址）

1. A 调用 B 之前，先将 B 需要的参数保存进指定地方（如：a0、a1 寄存器）
2. A 执行 jal，包括了保存 ra = PC + 4 以及 控制转移到 B 函数
3. 被调用者 B 开始段：

• 计算并分配空间 sp - xxxx
• 先保存 A 的现场（A 的 ra，A 的 fp 共 8 B）
• 保存 保存寄存器 s0 - s7（有需要的话）
• 以 main 函数调用 set_array 函数为例，需要按顺序执行：
  • 先计算需要分配的空间，并减小 sp，腾出空间
  • 保存 ra（main 函数中 jal set_array 的下一条指令位置）
  • 保存 main 的 fp，并设置 fp 寄存器为 set_array 的栈桢（其指向了上面刚保存的 main 的 ra）
  • 保存 s1，并将要用的局部变量 数组 address 的首地址存入 s1 [图片]

4. 执行过程 B
5. 被调用者 B 将返回结果放到指定位置，例如：寄存器 v0 - v1
6. 执行 exit 函数返回 A

• 将栈底的 ra 存入 ra 寄存器
• 将栈底的 fp 存入 fp
• 将栈底的 s1 存入 s1
• 释放分配的空间 sp + xxxx
• 函数返回：PC <— (ra)