1-1-指令概述

指令集（Instruction Set）：一个给定的计算机体系结构所包含的指令集合。

不同的CPU所支持的指令集不同，流行的指令集有：ARMv7、Intel x86、ARMv8、MIPS等。
高级语言编写的程序被编译成汇编代码，汇编器将汇编代码编译成机器语言代码（即计算机指令）存储在存储器中，运行时，CPU将程序装载进内存，一条条的依次执行。

程序从高级语言代码到机器语言代码

常见的指令分类

算数指令
数据传输指令
逻辑类指令
控制类指令

操作数

寄存器

MIPS中寄存器，受指令格式位数（5位，共 $2^5$ 个）的限制，只有 $32$ 个。

MIPS				x86
名称	寄存器编号	说明	过程调用时必须保存	操作数	说明
\$zero	0	寄存器0，其值恒为0	--
\$at	1	汇编器保留	--
\$v0 - \$v1	2-3	过程调用时，用于返回值的2个寄存器	否
\$a0 - \$a3	4-7	过程调用时，用于传递参数的4个寄存器	否
\$t0 - \$t7		主要用于编译时临时所需	否
\$s0 - \$s7	16-23	保存的寄存器	是
\$t8 - \$t9	24-25	更多临时变量	否
\$k0 - \$k1	26-27	操作系统保留	--
\$gp	28	全局指针	是
\$sp	29	栈指针	是
\$fp	30	帧指针	是
\$ra	31	过程调用时，用于返回起始点的返回地址寄存器	是

存储器

存储器只能通过数据传输指令访问。

MIPS中存储器有 $2^{30}$ 个

MIPS		x86
操作数	说明	操作数	说明
m[0]、m[4]...	MIPS通过字节编址，所以连续的字地址相差4	操作数	说明

对齐限制

MIPS 采用大端编址，按字节编址，字的起始地址必须是 $4$ 的倍数。

指令格式

指令的布局形式叫做指令格式。

MIPS指令格式

MIPS指令格式占 32 位，与字长相同。不同类型的指令采用不同的指令格式。虽然多种指令格式使硬件变得复杂，但是保持指令的类似性，可以降低复杂度。

R型指令结构（适用于寄存器）

op：指令的基本操作，称为操作码（opcode），具体操作由funct字段决定；
rs：第一个源操作数寄存器（位移指令为0）；
rt：第二个源操作数寄存器；
rd：用于存放操作结果的目的寄存器；
shamt：位移量，适用于位移指令；
funct：功能码（function code），用于指定 op 字段中操作的特定变式。

I型指令结构（适用于立即数或基址寻址操作）

op：指令的基本操作，称为操作码（opcode）；
rs：
- 数据传输指令中的基址寄存器；
- 立即数运算指令中的操作数计算器；
rt
- 取字指令中的目的寄存器；
- 存字指令中的源寄存器；
- 立即数运算指令中的源寄存器；
constant or address
- 数据传输指令中的地址偏移量
- 立即数运算中的常数

16位的地址字段，意味着取字指令可以取相对于基址寄存器地址偏移 $2^{15}$ 或 $32 768$ （ $2^{13}$ ）个字节或 $8192$ 个字范围内的任意数据字。

J型指令结构（适用于地址跳转）

op：操作码
address：跳转地址

寻址模式

寻址模式是指：根据对操作数或地址的使用不同加以区分的多种寻址方式中的一种。

立即数寻址

立即数寻址（Immediate Addressing），操作数是位于指令自身中的常数。

MIPS中的立即数寻址

寄存器寻址

寄存器寻址（Register Addressing），操作数是寄存器。

基址寻址

基址寻址（Base Addressing）又称偏移寻址（Displacement Addressing），操作数在内存中，其地址是指令中基址寄存器和常数的和。

此种寻址方式非常适合存储数组和结构，基址存储器指向变量的首地址，偏移量用于指定对应的元素下标。

PC相对寻址

PC相对寻址（PC-relative Addressing），地址是PC和指令中常数的和。

伪直接寻址

伪直接寻址（Pseudodirect Addressing），跳转地址是指令中26位字段和PC高位相连。

1-2-算数运算指令