考研机组复习笔记（2） -----指令系统

指令系统包括机器指令，数据表示，寻址方式。

指令包括操作码，源操作数地址，目的操作数地址。

定点计算机也可以处理浮点数据和向量数据，只需要通过软件变换即可。

指令系统的设计原则：完备性（完备指令集），有效性（简洁加速无歧义），规整性，兼容性。

指令系统应该包括指令：

        数据传送指令，输入输出指令，算术逻辑运算指令，系统控制，程序控制指令。

指令系统两大派系：CISC（复杂指令集）（各种指令都能访问存储器），

                                RISC（简单指令集）（寄存器到寄存器的工作模式）。

随着时代的发展，RISC与CISC相互借鉴，到如今，两者的界限已经很模糊了。

扩展操作码的指令格式：使用频率高的指令，分配短的操作码，增加指令字所能表示的操作信息。

几种常见的指令：

        零地址指令：堆栈指令，空操作指令，停机指令等。

        一地址指令：单目运算，累加器等（另外一个操作数默认）

        二地址指令：OP|A1|A2

        三地址指令：OP|A1|A2|A3                                       

        多地址指令：如向量操作等批量处理指令

寻址方式：

        1.为什么不能把操作数放在地址码里面？

                答：地址码位数有限，操作数大小有限。

        2.为什么不能把操作数地址放在地址码里面？

                答：地址码位数有限，寻址空间狭窄。

寻址分为指令寻址和操作数寻址。

指令寻址相对简单：一般来说是程序计数器加上pc增值，或者是跳转指令的目标地址。

操作数寻址：

        立即数寻址：源操作数在指令当中。（MOV AX ,1000H）

        存储器直接寻址：地址码中存放着源操作数在存储器中的地址。(MOV AX,[1000H])

        寄存器直接寻址：地址码中存放着源操作数所在的寄存器编号。(MOV AX,BX)

        存储器间接寻址：操作数和操作数地址都在存储器中，地址码字段给出操作数地址在存储器中的地址。（两次访存，速度慢）(MOV R1,@(1000H))

         寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数地址在寄存器中，地址码中存放着操作数地址所在的寄存器编号。(MOV AX,[BX])

         偏移寻址：操作数存放在存储器中，而操作数地址需要通过计算得到。主要分为以下几种：

                        相对寻址：相对程序计数器PC寻址。EA=（PC）+A

                        基址寻址：相对基址寄存器寻址。EA=（B）+A  （主要面向系统操作）

                        变址寻址：相对变址寄存器寻址。EA=（I）+A。通过控制变址寄存器I中的值来控

                                           制寻址空间。（主要面向用户程序）

        堆栈寻址：操作数存放在堆栈的栈顶，通过栈顶指针SP控制，通过函数调用PUSH，POP等进行操作。

        小结：

 为什么采用二进制编码：

        答：制作物理器件简单，二进制编码运算简单，与逻辑规则对应，便于逻辑运算和算术运算实现。

数据表示研究可以被硬件直接识别的数据类型。

数据结构研究如何在数据表示的基础上，处理不能被硬件直接识别的数据。

字与字长：字长指的是CPU中数据通路的宽度，等于CPU内部总线的宽度或者是通用寄存器的宽度或者是运算器的位数。而字的定义则是根据需要来的。如32位字长的Intel可以定义16位的字。

反码：符号位不变，其他位按位取反。

补码：反码加一。

正数的原码反码补码都相等。补码的补码是原码。

定点不在赘述

浮点表示太长不写，见例子。

十进制表示：ASCII码，BCD码

ASCII码：

BCD码

 字符数据的表示：

现代计算机基本采用字节编址

数据存放：大端模式（MSB）与小端模式（LSB）。大端是指将最高有效字节存放在低地址中，小端是指将最高有效字节存放在高地址中。有的机器支持两种编码方式，只需要进行机器设置即可。

 字符边界对齐：好处有防止程序出错，加快访存效率。

 数据错误：冗余校验。主要有奇偶校验，海明校验，循环冗余校验。

        一位奇偶校验码：只能发现奇数个错误，当校验正确时可能是原码正确或者出现了偶数个错误。无法确定发生错误的准确位置，不具备纠错功能。开销小，用于一字节长的校验，用于存储器读写检查或按字节传输过程中的校验。分为奇校验和偶校验两种。

        海明校验：海明校验只能校验一个错误的情况。若数据出现多个错误，不一定可以检测出来。校验码位数为k，原码位数为m，满足        2^k-1>=m+k    算出校验码位数k。插入在原始信息中。如原始信息为101101100，m=9，根据方程得到k=4。

      用到的校验码是看 当前位置由哪几个 校验码所在的位置的和

 比如：校验码的位置是1，2，4，8。位置3= 1 + 2，所以位置3用到的校验码是1和2；位置7 = 1 + 2 + 4组成的，所以位置7用到的校验码是1，2和4。

然后将校验码校验的位置记录下来：

• 校验码1（位置1）：3，5，7，9，11，13
• 校验码2（位置2）：3，6，7，10，11
• 校验码3（位置4）：5，6，7，12，13
• 校验码4（位置8）：9，10，11，12，13

然后做异或运算

• 校验码1（位置1）：1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 0 =  1
• 校验码2（位置2）：1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 = 1
• 校验码3（位置4）：0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 0 = 0
• 校验码4（位置8）：0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 0 = 0

得到最后的完整数据。

得到海明码之后，我们的校验如下（只能一位出错）

 我们得到了1110011001100，设最后一位出错，则变为111001100110（1）

对每一位校验码进行异或计算。还要加上校验码本身进行校验，以下式子第一列为校验码本身。

• 校验码1（位置1）：1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ （1） =  1
• 校验码2（位置2）：1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 = 0
• 校验码3（位置4）：0 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ （1） = 1
• 校验码4（位置8）：0 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ （1） = 1

倒写结果变为1101，第13位出错。结果全零代表无错。

CRC循环校验：最常用的一种差错校验码，其信息字段和校验字段长度可以任意指定，但要求通信双方定义的CRC标准一致。

       在K位信息码后再拼接R位校验码，使整个编码长度为N位，N=R+K

        选定一个标准除数，叫做CRC码（不是校验码），位数要小于原编码，首尾都是1。在原信息的基础上补充CRC码位数-1个零，然后对补充零后的数据进行CRC码二进制除法，最后得到的就是校验码。对于数据1110 0101，以指定除数11011（CRC码）求它的CRC校验码

 最后得到

 校验的方法：最终发送的字码是可以对CRC码整除的，由于接收方也有相同的CRC码，在数据传输的过程中不发生错误，接收方用接收到的数据除以CRC码也是可以整除的，此时为无错误。同时，不能整除，说明传输过程中数据发生了错误。

基本指令与指令类型

        数据传送指令：move，store，load，exchange等

        算术运算与逻辑运算指令：定点浮点运算，异或等

        数据转换指令

        输入输出指令：可以由专用IO指令，通用的数据传送指令，IO处理机等完成

        系统控制指令：启动IO设备指令，存取特殊寄存器指令，通常只能由操作系统执行，

        程序控制指令：转移指令（无条件转移与条件转移，程序中转移），循环控制指令，子程序调用与返回指令（通过call和ret指令控制，嵌套递归调用，程序与程序之间转移），中断指令与返回等。就是改变PC计数器的自动增值。如碰到循环分支子程序调用等。

        在子程序调用中，采用寄存器存放返回地址的话，单寄存器不支持嵌套和递归，多寄存器不支持递归，但是支持嵌套。如果返回地址存在子程序的起始位置，支持嵌套，不支持递归，因此广泛采用堆栈的方式保存返回地址。

        在参数传递的问题上，可以采用约定寄存器，约定存储空间，参数赋值法或者堆栈法解决。

        在子程序和主程序的公共寄存器的公用问题上，可以采用破坏和保护现场的方法，或者使用push指令形成保护程序段，用pop指令形成恢复指令段。

        保存现场->入口参数传递->子程序处理->出口参数传递->恢复现场->返回调用程序。

MIPS指令格式：

        R型指令中，op操作码全零，指令类别依靠func功能码区分，如func=100000代表加法。

sa字段为移位指令的位移量。（寄存器直接寻址）

        I型指令中 ，immediate字段给出立即数或者分支指令的偏移地址。（立即数寻址，基址寻址，相对寻址）

        J型指令中，address字段给出无条件转移的低26位（MIPS直接寻址，因此每条指令的起始地址的低两位都是00，因此我们将程序计数器PC高四位拼上26位地址后加两个零得到32位目标转移地址。）

MIPS寄存器：32个通用寄存器，32个浮点寄存器，和三个特殊的HI，LO，PC寄存器

 MIPS只能通过load/store指令访问存储器，边界对齐，大端存放，寻址空间2^32bytes=4GB，访存地址通过32位寄存器加上16位偏移量得到，偏移量为有符号整数，可以向前向后偏移。

算术指令中，乘法的高32位存放在HI中，低32位存放在LO中，除法中，商存放在LO中，余数存放在HI中。

分支转移指令中转移条件成立的时候，PC中的值是PC+4

常用标志位：SF:符号位，OF（VF）：溢出位，CF：进位位，ZF：判零位

在计算的过程中，计算机不清楚是有符号数还是无符号数，若CF标志则为无符号数，若OF标志则为有符号数

指令设计的四大要素：简单源自规整，越少越快，加速常用操作，均衡设计

最后

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