计算机系统概论第五章Word格式文档下载.docx
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ADD
R2
R0
R1
这个加法指令的两个加数用[8:
6]位和[2:
0]位表示，相加的结果存入的目标由[11:
9]位表示。
图5.2显示了在ADDR2,R1,R0指令执行之后的图5.1的寄存器堆的内容。
5.1.3指令集
一条指令由两部分组成，即它的操作码（指令让计算机做的事情）和操作数（计算机操作的对象）。
ISA的指令集是由一组操作码、数据类型和寻址模式定义的。
寻址模式决定了操作数位于什么地方。
前面的例子就是一个操作码为ADD，寻址模式是寄存器模式的指令。
该指令的操作是让计算机做二进制补码整数的加法，计算机寻找的操作数的位置是位于通用寄存器中的。
5.1.4操作码
有些ISA有一个非常大的操作码集，每一个操作码对应了一个程序中可能要执行的众多任务中的一个。
有些ISA则拥有一个非常小的操作码集。
有些ISA有专门的操作码来处理科学计算，例如，HP的PrecisionArchitecture中有一条指令是执行一个先乘后加的如（A*B）+C的三目运算。
而有些ISA有用来处理从万维网获得的视频图像信息的指令，如Intelx86ISA加入了许多被称为MMX的指令，因为它们扩展（eXtend）了ISA指令集以帮助处理网络上的多媒体（MultiMedia）应用。
还有其他的一些ISA加入了专门的操作码来帮助支持操作系统的任务，例如在二十世纪八十年代盛行的VAX体系,有一个专门的指令，用来在一个正在运行的程序切换到另一个程序之前，保存那个正在运行的程序的所有信息，而几乎所有的计算机都用一长串的指令使计算机实现保存那些信息的任务。
当一个新的ISA被定义时，关于某条指令的去留问题，总是要有一番激烈的争论。
LC-3ISA有15条指令，每一条指令由不同的操作码来区分。
操作码是由指令的[15:
12]位定义的。
既然有4位用于操作码，其指令就有16种可能。
然而，LC-3ISA只定义了15条指令，1101码未被定义，被保留下来，用于我们今天还不能预测到的将来的需要。
有三种不同类型的指令，即三种不同类型的操作码，分别是：
运算，数据传送，控制。
运算指令处理信息，数据传送指令在存储器和寄存器之间或在寄存器/存储器和输入/输出设备之间传送数据。
控制指令改变指令被执行的顺序。
换言之，它们使某一条指令而不是位于存储器中下一个位置的指令被执行。
图5.3列出了LC-3的15条指令，[15:
12]位代表各操作码。
每指令的使用将在随后的第5.2、5.3和5.4节来阐述。
5.1.5数据类型
数据类型是信息的表示方法。
在计算机里有许多方法来表示相同的信息。
在日常生活中，我们也使用许多不同的方法来表示相同的信息。
例如，当我们问一个小孩，他有几岁时，他也许会伸出三个手指，代表三岁；
他也许可以写下数字“3”；
如果他是一个学计算机科学或计算机工程专业的大学生，他也许写下16位的二进制数0000000000000011来代替；
如果他是化学专业的学生，可能使用3.0100来表示。
这四种都是3的表示方法。
如果ISA中有一个操作码能对某种数据类型表示的信息进行运算，我们就说该ISA支持这种数据类型。
在第二章，我们介绍了LC-3的ISA支持的唯一一种数据类型：
二进制补码整数。
5.1.6寻址模式
寻址模式是一种指示操作数位置的机制。
一般地，可能在三个地方找到操作数：
存储器，寄存器，或指令中的一部分。
如果操作数位于指令中的一部分，我们称之为字面或立即数。
“字面”源于指令的若干位字面上构成操作数的事实，“立即数”源于我们可以立即从指令中获得操作数的事实，也就是说，不用去别处寻找。
LC-3支持五种寻址模式：
立即数（或字面），寄存器和三种存储器寻址模式——PC相对，间接，基址+偏移量。
我们将在5.2节中介绍使用了两种寻址模式的运算指令：
寄存器和立即数。
在5.3节中介绍使用了五种模式的数据传送指令。
5.1.7条件码
大多数ISA允许基于前一条指令产生的结果改变指令执行的顺序。
LC-3有三个一位的寄存器，每当八个寄存器之一被改写时，它们可被设置为0或1。
这三个一位的寄存器被称为N，Z，P。
相应的意义：
负数，零，正数。
每当一个GPR（通用寄存器）被改写时，N，Z，P寄存器就会根据写到GPR的结果是否为负数，零，正数，分别设为0或1。
也就是说，如果结果为负数，N为1，Z和P清0；
如果结果为0，Z设为1，N、P为0；
结果为正数，P为1，N、Z为0。
这三个寄存器被称为条件码的原因是可用此位作条件，来控制指令的执行顺序。
x86和SPARC是两种使用条件码的ISA的例子。
我们将在5.4节中介绍LC-3如何使用条件码。
5.2运算指令
运算指令对数据进行处理。
常见的例子包括算术运算（像加、减、乘、除）和逻辑运算（像与、或、非、异或）。
LC-3有三个运算指令：
加、与、非。
NOT指令（操作码是1001）是唯一一个进行一元运算的指令，也就是说，这个指令要求有一个源操作数。
这个指令对一个16位的源操作数按位取反后把结果存入一个目标中。
NOT对源操作数和目标操作数都采用寄存器寻址模式。
[8:
6]位对应的是源寄存器，[11:
9]位对应的是目标寄存器，[5:
0]位必须全部包含1。
如果R5一开始存储的是010*********，执行下面的指令后：
NOT
R3
R5
R3中将会包含1010111100001111。
图5.4显示了用来执行NOT指令的数据通路的关键部分。
既然NOT是一个一元运算，对于ALU，只有A输入是相关的。
源操作数来自于R5，指挥ALU的控制信号是执行按位取反运算，ALU的输出（运算结果）被存储于R3中。
ADD（操作码是0001）和AND（操作码是0101）指令都执行一个二元运算；
它们需要两个16位的源操作数。
ADD指令对两个源操作数执行一个二进制补码的加法运算。
AND指令对它的两个16位源操作数执行一次按位与运算。
像NOT一样，ADD和AND对其中一个源操作数和目标操作数采用寄存器寻址模式。
6]对应源寄存器，[11:
9]对应目标寄存器（结果将被写入的地方）。
ADD和AND的第二个源操作数可以通过寄存器寻址模式或立即数模式得到，由[5]位决定使用哪种方式。
如果[5]位是0，那么第二个操作数要使用一个寄存器，[2:
0]位对应着这个寄存器。
这时，[4:
3]位被全部设为0。
例如，如果R4中存储数值6，R5中存储数值-18，执行下面的指令后：
R4
R1将会被写入数值-12。
如果[5]位是1，第二个源操作数就被包含在指令当中。
事实上，第二个源操作数是在执行ADD或AND操作之前，将[4:
0]位执行符号扩展到16位得到的。
图5.5显示了用来执行ADDR1，R4，#-2指令的数据通路的关键部分。
既然ADD或AND指令的立即操作数必须位于指令的[4:
0]位中，就不是所有的二进制补码整数都可以是立即数，那么，哪些整数可以用作立即数？
例5.1
下面的指令是做什么的？
答案：
寄存器R2被清空。
（也就是，被全部设为0）
例5.2
下面这条指令执行什么操作？
寄存器R6加1（就是说，R6R6+1）
注意：
在同一条指令中一个寄存器既可以作为源操作数也可以作为目标操作数。
这对LC-3的所有指令都是适用的。
例5.3
回想一下，取一个补码表示的数值的负数可以通过取反加1得到。
因此，假设两个值A，B分别存在R0和R1中，如何执行A减B，再把结果存到R2中？
NOT
R1NOT（B）
R2-B
R2A+（-B）
问题：
这组指令还会产生什么不好的结果？
怎样做就能避免出现这个结果？
5.3数据传送指令
数据传送指令可以在存储器和通用寄存器之间，存储器和输入/输出设备之间传送数据。
现在我们将不研究怎样将数据从输入设备传送到寄存器和怎样将数据从寄存器传送到输出设备。
这将是第八章的主题，同时它也是第九章的一个重要部分。
在这一章，我们将集中精力去研究存储器和通用寄存器之间数据的传输。
将数据从存储器移动到寄存器的过程叫加载（load）。
而将数据从寄存器移动到存储器的过程叫存储（store）。
在这两个过程中，源操作数所在位置的内容并没有改变。
但目标操作数所在位置的内容被改写，原来的值便被破坏了。
LC-3有7种数据传送指令：
LD，LDR，LDI，LEA，ST，STR和STI。
加载和存储指令的格式如下：
操作码
DR或SR
地址生成位
数据传送指令需要两个操作数：
一个源操作数和一个目标操作数。
源操作数是要传送的数据所在的位置，目标操作数是要传送到的位置。
在两个操作数中，一个是寄存器，另一个是存储器单元或输入/输出设备。
正如我们之前说过的，在本章，假设第二个操作数均位于存储器中。
第二个操作数是输入/输出设备的情况我们留到第八章介绍。
[11:
9]位说明了第一个操作数，寄存器。
如果指令是加载，DR指的就是目标寄存器，它将在从存储器读取数据之后，包含该数值（指令周期完成时）。
如果指令是存储，SR指的就是包含要被写到存储器的数值的那个寄存器。
0]位包含了地址生成位，也就是说，[8:
0]位编码的信息被用来计算第二个操作数的16位地址。
在LC-3的情况中，数据传送指令有4种方式解释[8:
0]位，它们合起来被称为寻址模式，由操作码说明如何解释[8:
0]位。
也就是说，LC-3的操作码说明如何从指令的[8:
0]位获取操作数。
5.3.1PC相对寻址模式
LD（操作码是0010）和ST（操作码是0011）指令规定了PC相对寻址模式；
之所以命名为PC相对寻址模式，是因为指令的[8:
0]位说明了一个相对于PC的偏移量。
存储器地址通过将[8:
0]位符号扩展为16位，然后与被增加过1的PC做加法计算得到。
被增加过1的PC是在取指令阶段之后，即PC增加1之后，程序计数器中的内容。
如果是加载指令，计算出的存储器地址对应的存储器单元被读取，结果被加载到被指令的[11:
9]位说明的寄存器中。
如果指令
LD
x1AF
被加载到x4018，会造成x3FC8的内容被加载到R2中。
图5.6显示了执行这条指令所需的数据通路的相关部分。
LD指令的3个步骤被标识出来。
在第1步，被增加过1的PC（x4019）与IR[8:
0]位经符号扩展后的值（xFFAF）相加，结果（x3FC8）被加载到MAR。
在第2步，存储器被读取，x3FC8中的内容被加载到MDR，假设存在x3FC8中的值是5。
在第3步，数值5被加载到R2，完成指令周期。
注意，存储器操作数的地址被限于所有存储器中的一个很小的范围。
也就是说，因为在加上偏移量之前，PC已经被增加1，所以那个地址只能在LD或ST指令的+256或-255的单元中，这是指令的[8:
0]位经过符号扩展后，提供的范围。
5.3.2间接模式
LDI（操作码是1010）和STI（操作码是1011）指令规定了间接寻址模式。
第一次形成地址的方式与LD和ST相同。
然而，这个地址不是要被加载或存储的操作数的地址，而是包含要被加载或存储的操作数的地址。
因此，命名为间接寻址。
注意，这个操作数的地址可以位于计算机存储器的任何地方，而不是像LD和ST那样，在指令的[8:
0]位提供的范围内。
LDI的目标寄存器和STI的源寄存器，就像其它所有的加载和存储指令一样，被指令的[11:
9]位说明。
LDI
x1CC
位于x4A1B，且x49E8的内容是x2110，执行这条指令的结果是，x2110中的内容被加载到R3中。
图5.7显示了执行这条指令所需的数据通路的相关部分。
正如LD和ST指令那样，在第1步，被增加过1的PC（x4A1C）与IR[8:
0]位经符号扩展后的值（xFFCC）相加，结果（x49E8）被加载到MAR。
在第2步，存储器被读取，x49E8中的内容（x2110）被加载到MDR。
在第3步，既然x2110不是操作数，而是操作数所在地址，它被加载到MAR。
在第4步，存储器被再次读取，MDR再次被加载，此次MDR被加载的是x2110中的内容。
假设存储在x2110中的值是-1。
在第5步，MDR中的值（即-1）被加载到R3，完成指令周期。
5.3.3基址+偏移量模式
LDR（操作码是0110）和STR（操作码是0111）指令规定了基址+偏移量寻址模式。
之所以命名为基址+偏移量寻址模式，是因为操作数的地址是通过将6位的偏移量进行符号扩展后，与一个基址寄存器相加得到的。
这6位的偏移量是从指令中得到的，是[5:
0]位，基址寄存器被指令的[8:
6]位说明。
基址+偏移量寻址模式将6位的偏移量值用作二进制补码整数，在-32到+31之间。
这样，在它与基址寄存器做加法之前，必须首先被符号扩展到16位。
如果R2包含的16位数值是x2345，指令
LDR
x1D
将x2362中的内容加载到R1。
图5.8显示了执行这条指令所需的数据通路的相关部分。
首先，R2中的内容（x2345）与IR[5:
0]经过符号扩展得到的值（x001D）相加，结果（x2362）被加载到MAR；
第2步，存储器被读取，x2362中的内容被加载到MDR。
假设存在x2362中的值是x0F0F。
在第3步，MDR中的值（即x0F0F）被加载到R1。
注意，基址+偏移量寻址模式也允许操作数的地址位于计算机存储器的任何地方。
5.3.4立即数模式
被数据传送指令使用的第四种也是最后一种寻址模式是立即数（或字面）寻址模式。
它只被用于加载有效地址（LEA）指令中。
LEA（操作码是1110）将指令的[11:
9]位说明的寄存器加载，被加载的数值是通过将增加过1的PC的值与指令的[8:
0]位经符号扩展后相加得到的。
之所以命名为立即数寻址模式，是因为被加载到目标寄存器的操作数是立即获得的，也就是说，不需要任何访问存储器的操作。
LEA指令被用作初始化阶段，用一个非常靠近该指令所在地址的地址初始化某个寄存器。
如果存储器单元x4018包含指令LEAR5,#-3，PC包含x4018，在x4018指令被执行后，R5将包含x4016。
图5.9显示了执行LEA指令所需的数据通路的相关部分。
注意，在获取被加载的值时，不需要访问存储器。
此外，LEA也是唯一的在获取被加载到DR中的信息时，不需要访问存储器的指令。
它将增加过1的PC与指令的地址生成位形成的地址加载到DR中。
5.3.5示例
我们用一个复杂的例子结束寻址模式。
假设存储器单元x30F6到x30FC的内容如图5.10所示，PC包含x30F6。
我们检查一下执行这7条连续的指令后的效果。
PC首先指向单元x30F6，就是说，PC中的内容是地址x30F6。
因此，存储在单元x30F6中的第一条指令被执行。
该指令的操作码是1110，标识为加载有效地址指令（LEA）。
LEA将指令的[8:
0]位符号扩展后，与增加过1的PC相加，形成的地址加载到被[11:
通过指令的[8:
0]位符号扩展后获得的16位的值是xFFFD，增加过1的PC是x30F7，因此，在LEA指令执行结束，R1包含x30F4，PC包含x30F7。
第2条被执行的指令是存储在x30F7中的指令。
操作码是0001，标识为ADD指令，将[8:
6]位表示的寄存器中的内容与[4:
0]位符号扩展后获得的立即数（既然[5]位是1）相加，结果存储在[11:
因为前一条指令将x30F4的值加载到R1中，符号扩展后获得的立即数是x000E，则被加载到R2中的值是x3102。
在该指令执行结束，R2包含x3102，PC包含x30F8，R1仍然包含x30F4。
第3条被执行的指令存储在x30F8中。
操作码是0011标识为ST指令，将指令的[11:
9]位说明的寄存器中的内容，存储到使用PC相对寻址模式计算出地址的存储器单元中。
也就是说，地址通过将增加过1的PC与指令[8:
0]位符号扩展得到的16位值相加得到。
指令[8:
0]位通过符号扩展得到的16位值是xFFFB，增加过1的PC是x30F9，因此，在ST指令执行结束，存储器单元x30F4包含x3102，PC包含x30F9。
在x30F9，我们找到操作码0101，表示AND指令，执行后，R2包含数值0，PC包含x30FA。
在x30FA，我们找到操作码0001，表示ADD指令，执行后，R2包含数值5，PC包含x30FB。
在x30FB，我们找到操作码0111，表示STR指令。
STR指令使用基址+偏移量寻址模式（与LDR相同）。
6]位表示的寄存器（基址）中的内容，与[5:
0]位符号扩展得到的偏移量相加获得。
在这里，[8:
6]位表示R1，R1的内容仍然是x30F4，符号扩展得到的16位偏移量是x000E，，因为x30F4+x000E是x3102，因此存储器地址是x3102。
STR指令将[11:
9]位说明的寄存器中的内容存进x3102，[11:
9]位表示的寄存器是R2。
回忆前一条（位于x30FA）指令将数值5存进R2，因此，在该指令执行结束，存储器x3102包含数值5，PC包含x30FC。
在x30FC，我们找到操作码1010，表示LDI指令。
LDI指令使用间接寻址模式（与STI相同）。
要获得存储器地址，首先采用PC相对寻址模式得到一个地址，在此，指令[8:
0]位通过符号扩展得到的16位值是xFFF7，增加
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