提桶跑路笔记

408计组——4.指令系统

指令系统

指令集体系结构（ISA）

ISA 规定内容主要包括：

  1. 指令格式
  2. 操作数类型
  3. 程序可访问的寄存器编号、个数、位数，存储空间大小和编址方式
  4. 指令执行过程的控制方式

指令的基本格式

指令基本结构包括操作码和地址码

【操作码】指令应该执行的操作

【地址码】给出被操作的信息的地址

  • 按指令长度

    指令长度与取指令的时间相关，表示指令长度是机器字长的多少倍，单字长只需一次访存，双字长两次

    • 单字长指令
    • 双字长指令
    • 半字长指令

  • 指令是否定长

    • 定长指令字结构：所有指令长度相等，速度快，控制简单
    • 变长指令字结构：指令长度随功能变化

按地址码数目分类

  1. 零地址指令

    1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
    2. 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

  2. 一地址指令

    1. 进⾏ ⾃身操作的数(⽐如⾃增、⾃减、取反，求补)

      OP(A1)→A1、取指 → 读 A1→ 写 A1

    2. 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在 ACC）

      (ACC)OP(A1)→ACC、取指 → 读 A1

  3. 二地址指令

    对两个数进⾏操作完后结果覆盖到原来的地址上的数

    (A1)OP(A2)—>A1、取指 → 读 A1→ 读 A2→ 写 A1

  4. 三地址指令

    两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

    (A1)OP(A2)→A3、取指 → 读 A1→ 读 A2→ 写 A3

  5. 四地址指令

    在三地址基础上，A4 表示下一条要执行的指令的地址

在指令总长度不变基础上，地址码数量越多，寻址能力越差

操作码指令格式

  • 定长操作码

    操作码长度不变，可简化硬件设计，提高译码效率

    指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限

  • 可变长度操作码

    在指令字长有限的情况下保持比较丰富的指令种类

    增加译码难度，控制器设计复杂化

定长指令字结构 + 可变长度操作码 = 扩展操作码指令格式

  • 扩展操作码指令格式设计

    1. 短码不能是长码前缀
    2. 操作码不能重复

​image-20240901204732-32pleze​

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指令的操作类型

  1. 数据传送

    MOV 寄存器之间传送

    LOAD 内存读入寄存器、STORE 寄存器写入内存

    PUSH 进栈、POP 出栈

  2. 算术和逻辑运算

    算术—–加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、⼗进制运算

    逻辑—–与、或、⾮、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

    移位操作—算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)

  3. 转移操作

    • JMP 无条件转移

    • BRANCH 条件转移

    • CALL 调用

      转移操作不返回，调用操作需要结束后返回主程序

    • RET 返回

    • TRAP 陷阱

  4. 输入输出操作

    进⾏ CPU 和 I/0 设备之间的数据传送，传送控制命令和状态信息

指令的寻址方式

指令寻址

寻找下一条要执行的指令地址，指令地址由 PC 给出

  1. 顺序寻址

    程序计数器 PC 增加本条指令的指令字长，自动形成下一条指令的地址

    (PC) + “1” → PC ，其中 1 为一条指令字长，与指令长度，编址方式有关

    主存按字节编址，假设指令字长=存储字长=16bit=2B，则 PC+2

    主存按字编址，则 PC+1

  2. 跳跃寻址

    由转移指令指出 PC 的值，分为相对转移和绝对转移

    转移指令的执行结果为修改 PC 值，下条指令仍由 PC 指出

⭐ 数据寻址

数据寻址就是确认本条指令的地址码的真实地址

访问主存空间

  1. 直接寻址

    ​image-20240903170543-tadnx66​

    • 地址码直接给出操作数内存地址

    • 访存

      取指令 1 次，执⾏指令 1 次

    • 优点

      简单，不需要专门计算操作数地址

    • 缺点

      A 的位数决定了寻址范围，操作数地址不易修改

  2. 间接寻址

    ​image-20240903170710-vvb2f5s​

    • 地址码给出的地址中指向其他主存地址

    • 访存

      一次间址，取指令 1 次，执⾏指令 2 次

    • 优点

      扩大寻址范围，便于编写子程序返回相关程序

    • 缺点

      需要多次访存，速度慢，由存储字最高位确定访存次数

  3. 隐含寻址

    ​image​

    • 不直接给出操作数的地址，⽽是在指令中就隐含操作数的地址

    • 访存

      一次间址，取指令 1 次，执⾏指令 2 次

    • 优点

      扩大寻址范围，便于编写子程序返回相关程序

    • 缺点

      需要多次访存，速度慢，由存储字最高位确定访存次数

  4. 立即寻址

    • 形式地址 A 即操作数本身，一般使用补码，#表示立即寻址

    • 访存

      取指令 1 次

    • 优点

      指令执行时间最短

    • 缺点

      A 的位数限制了立即数的范围

访问寄存器空间

  1. 寄存器寻址

    ​image​

    • 和直接寻址原理⼀样，只是把访问主存改为访问寄存器

    • 访存

      取指令 1 次

    • 优点

      简单，快速，支持向量运算，指令字短

    • 缺点

      价格贵，寄存器个数有限

  2. 寄存器间接寻址

    ​image​

    • 和访问主存的间接寻址原理相同，主存改为寄存器，寄存器内指向主存

    • 访存

      取指令 1 次，执行指令 1 次

    • 优点

      比一般间接寻址更快，但需要访问主存

偏移寻址

  1. 基址寻址

    ​image​

    • CPU 中基址寄存器 BR 的内容 + 形式地址 A＝ 有效地址

      或使用通用寄存器，但需要指定使用的通用寄存器

      即相对于一个基地址进行偏移

    • 优点

      1. 扩大寻址范围
      2. 有利于多道程序设计
      3. 可用于编制浮动程序

  2. 变址寻址

    ​image​

    • IX 寄存器用户可以修改，同样也可以分为专用 IX 寄存器和通用寄存器

      例：循环累加 A[0]~A[9]过程中，设定 A[0]为首地址，IX 在每次加法后 +1，即可依次得到数组地址

    • 优点

      • 常用于有规律操作，如遍历
      • 变址寄存器作为偏移量可被改变
      • 形式地址 A 作为基地址保持不变

  3. 相对寻址

    ​image​

    • 基址寻址的变种，将基址寄存器 BR 改为程序计数器 PC

      地址码 A 表示相对 PC 的偏移量，使用补码表示，可正可负

    • 优点

      • 便于程序浮动
      • 广泛用于转移指令

堆栈寻址

操作数存放在堆栈中，隐含的使⽤堆栈指针(SP)作为操作数地址

SP 指针指向栈顶的空单元

⼊栈，先压⼊数据，再修改指针 出栈，先修改指针，再弹出数据

堆栈可使用专门寄存器或直接使用主存

使用寄存器成本高速度快 使用主存成本低速度相对慢

程序的机器码表示

汇编指令

相关寄存器

  1. 通用寄存器

    如EAX​，EBX​，ECX​，EDX​等

    E = Extended = 32bit

    ​EAX​可拆分低两位字节为AX​，AX拆分高低字节分别为AHAL​

    ​image​

  2. 变址寄存器

    ​ESI​、EDI​

    S=Source, D=Destination，I=Index

    固定使用32bit

  3. 堆栈寄存器

    ​ESP​、EBP​

    堆栈顶指针(Stack Pointer)、堆栈基指针(Base Pointer)

    固定使用32bit

汇编指令格式

;操作码 + 地址码
mov byte ptr [var], 5
;var更换为真实内存地址

​mov​表示数据传送指令操作，byte ptr [var], 5​表示将常数5保存到var内存地址中

其中操作的地址码表示数据的来源，可以是寄存器、主存、指令给出常量（立即寻址）

  1. 寄存器：使用寄存器名如EAX​

  2. 主存：给出读写长度和地址

    dword ptr [地址] #32bit
    word ptr [地址] #16bit
    byte ptr [地址] #8bit

  3. 指令：直接给出数值，使用16进制时使用h结尾

Intel与AT&T

​image​

常用指令

下例中

  • ​<reg32>​表示32位寄存器

  • ​<mem>​表示内存地址，如[var+4]​、[eax]​、dword ptr [eax+ebx]​

    未标注长度默认32位

  • ​<con>​表示常数

数据传送指令

  1. mov

    将第二个操作数复制到第一个操作数中

    ;不可两个操作数同时来自内存
mov <reg>,<reg>
mov <reg>,<mem>
mov <mem>,<reg>
mov <reg>,<con>
mov <mem>,<con>

mov eax,ebx             ;将ebx值复制到eax
mov byte ptr [var], 5   ;将5保存到var值指示的内存地址的一字节中

  2. push

    操作数压入栈中，常用于函数调用，入栈前将ESP-4

    push eax
push [var]
push 5

  3. pop

    将操作数弹出后储存，出栈后ESP+4

    pop eax
pop [var]

算术和逻辑运算指令

  1. add/sub

    两操作数相加减，保存到操作数1中

    add eax,10  ;eax寄存器值与10相加，保存到eax中

  2. inc/dec

    自增，自减

    dec eax              ;eax寄存器自减1
inc dword ptr [var]  ;内存地址4字节值自加1

  3. imul

    有符号整数乘法，若溢出则置OF=1

    1. 两个操作数，第一个操作数必须为寄存器
    2. 三个操作数，23相乘保存到1,1必须为寄存器
    imul <reg32>,<reg32>
imul <reg32>,<mem>
imul <reg32>,<reg32>,<con>
imul <reg32>,<mem>,<con>

imul eax,[var]   ;eax<-eax*[var]
imul esi,edi,25  ;esi<-edi*25

  4. idiv

    有符号整数除法，唯一操作数为除数，被除数为edx:eax中内容，商送入eax​，余数送入edx​

    在进行除法时，被除数需要转换为64位字长，因此需要两个寄存器储存

    idiv <reg32>
idiv <mem>

  5. and/or/xor

    与或异或，操作结果存放于操作数1

  6. not

    位取反操作

  7. neg

    取负操作

  8. shl/shr

    逻辑左移，逻辑右移，操作数2表示移动位数

    shl <reg>,<con8>
shl <mem>,<con8>
shl <reg>,<cl>
shl <mem>,<cl>

控制流指令

一条指令被执行时，IP指针自动指向相邻的下一条指令

可以使用控制流指令通过​标签​指示跳转位置

任何指令前都可以加入标签

mov esi, [ebp+8]
begin: xor ecx, ecx
mov eax, [esi]

  1. jmp

    控制IP跳转到指示主存地址

    jmp 128    ;<地址>可以用常数给出
jmp eax    ;<地址>可以来自于寄存器
jmp [999]  ;<地址>可以来自于主存
jmp NEXT   ;<地址>可以用“标签”锚定

  2. j​condition

    条件转移指令，通常需要与cmp​指令一起使用

    je <label>   ;(jump when equal)
jz <label>   ;(jump when last result was zero)
jne <label>  ;(jump when not equal)
jg <label>   ;(jump when greater than)
jge <1abel>  ;(jump when greater than or equal to)
jl <1abel>   ;(jump when less than)
jle <label>  ;(jump when less than or equal to)
;例如
cmp eax,ebx  ;比较寄存器eax和ebx里的值
jg NEXT      ;若eax>ebx,则跳转到NEXT:

    条件转移指令判断psw程序状态字寄存器中数值，因此需要先进行cmp

  3. cmp/test

    cmp指令比较两个操作数大小，使用补码减法，只保存结果的标志位

    test指令对两个操作数进行与运算，只保存结果标志位

    cmp <reg>,<reg>
cmp <reg>,<mem>
cmp <mem>,<reg>
cmp <reg>,<con>

    通常与2.配合使用

  4. call/ret

    实现子程序调用和返回

    call <1abel>
ret

    调用call指令会进行两步操作

    1. 将IP旧值压栈保存（push IP​）
    2. 将IP新值设置为被调用函数的第一条指令（jmp <labal>​）

    调用ret指令：在栈帧顶找到IP旧值，出栈并恢复IP寄存器

选择语句

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cmp配合jxxx指令加上mov跳转，可以实现选择语句的分支结构

循环语句

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  • 循环构成

    1. 循环初始化
    2. 是否进入循环的判断
    3. 循环体
    4. 循环末尾判断是否继续下一次循环

可以使用loop指令代替末尾的下次循环判断，用于定次的循环

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过程调用

函数栈帧（Stack Frame）： 保存函数大括号内定义的局部变量、保存函数调用相关的信息

当前正在执行的函数位于栈顶，函数调用栈为一片内存区域

栈底位于高位，栈顶位于低位

在汇编语言中，函数名通常作为该函数在汇编语言中的标记，标注函数头

访问栈帧数据

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​EBP​指向当前栈帧底部​ESP​指向顶部

x86 系统中，默认以4字节为栈的操作单位

  • 方法1

    • 移动ESP​指向压入后的栈帧顶部即-4，再往当前栈帧范围压入一个数值
    • 弹出则相反+4
push eax        ;将寄存器eax的值压栈
push 985        ;将立即数985压栈
push [ebp+8]    ;将主存地址[ebp+8]里的数据压栈
pop eax         ;栈顶元素出栈，写入寄存器eax
pop [ebp+8]     ;栈顶元素出栈，写入主存地址[ebp+8]，即修改栈帧数据

  • 方法2

    • 使用mov指令结合EBP​和ESP​指针读取栈帧数据
    • 使用add/sub指令修改ESP​指向位置，修改4字节的倍数
sub esp,12          ;栈顶指针-12
mov [esp+8],eax     ;将eax的值复制到主存[esp+8]
mov [esp+4],958     ;将985复制到主存[esp+4]
mov eax, [ebp+8]    ;将主存[ebp+8]的值复制到eax
mov [esp],eax       ;将eax的值复制到主存[esp]
add esp,8           ;栈顶指针+8

栈帧切换

调用函数时，使用call指令调用的函数，同时需要切换栈帧

被调用函数的开头会默认包含以下操作

push ebp		;保存上一层函数的栈帧基址（ebp旧值）,esp自动+4
mov ebp,esp		;设置当前函数的栈帧基址（ebp新值）,ebp指向esp所指位置
				;此时已进入新栈帧，以上两条指令可用enter代替

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每个栈帧底部用于保存上一层栈帧的基址

函数返回时，使用leave指令和ret指令

mov esp,ebp		;让esp指向当前栈帧的底部
pop ebp			;将esp所指元素出栈，写入寄存器ebp
				;可用leave代替以上指令

ret指令，从函数的栈帧顶部找到IP旧值，将其出栈并恢复IP寄存器

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函数框架图如下

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栈帧包含内容

  1. 编译器设置栈帧大小为16字节的倍数，栈帧内部可能存在未使用区域
  2. 局部变量集中存储于栈帧底部
  3. 调用参数集中存储于栈帧顶部
  4. 栈帧最底部一定是ebp旧值
  5. 栈帧最顶部一定是返回地址（正在执行函数栈帧除外）​

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调用其他函数前，如果有必要，可将某些寄存器(如:eax、edx、ecx)的值入栈放置于上图灰色区域保存，防止中间结果被破坏

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CISC 和 RISC 的基本概念

  • CISC：Complex Instruction Set Computer

    设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能，如x86架构

  • RISC：Reduced Instruction Set Computer

    一条指令完成一个基本“动作”，多条指令组合完成一个复杂的基本功能，如ARM架构

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