读书笔记：《计算机系统概论》——第五章：LC-3结构

指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）

ISA定义了软件编程所需要的必要而完整的描述，具体来说，ISA定义了3个东西：操作码的集合、数据类型和寻址模式

指令：由操作码和操作数组成。在LC-3中，定义了15条指令，每条指令均占16个bit；指令可以分为三类：运算、数据搬迁、控制

操作码：每个指令都有唯一的4bit操作码（bit[15:12]），而不同的操作码对应不同的指令格式

LC-3中几个重要的寄存器：

• 通用寄存器（General Purpose Register，GPR）：R0~R7共8个，每个均为16bit
• IR、PC：上一章已经讲过，IR用来存放本次执行的指令，PC用来存放下一条指令所在的内存地址
• 条件码：LC-3中有3个位寄存器，为N、Z、P，一旦GPR的数据发生变化，条件码的对应一位就会发生变化：写入正数时，N置1；写入0时，Z置1；写入负数时，P置1。条件码的作用是可以根据条件码的变化来控制指令执行的顺序。

指令介绍

运算操作指令在LC-3中只有3个：ADD、AND、NOT。

这几个指令有几个惯用的用法：

• 寄存器清零：和0做AND操作
• 减法：NOT第二个操作数后+1（即取补码）与第一个操作数ADD

数据搬迁指令在LC-3中有7个：LD、SD、LDR、STR、LDI、STI、LEA

• PC相对寻址：LD和SD。DR←M[PC+PCoffset9]；SD同理。范围较小，但速度快
• 间接寻址：LDI和STI。DR←M[M[PC+PCoffset9]]；STI同理。范围为全内存，但速度慢
• 基址偏移寻址：LDR和STR。DR←M[baseR+offset6]；STR同理。范围为全内存，速度快
• 立即数寻址：LEA。DR←PC+PCoffset9。常用作对寄存器初始化地址。

控制指令：BR、JMP、TRAP

• 条件跳转指令：BR。若条件码N/Z/R对应位发生变化，则PC←增量PC+PCoffset9。注意，这个跳转是有范围的。
• 无条件跳转指令：BR，其中nzp位均置1.
• 循环控制的两种方法：计数器方法（知道要循环多少次）；哨兵法（事先不知道循环多少次，放一个哨兵字，若哨兵字出现，则跳出循环）
• JMP：BR的跳转地址有局限性，而JMP无。
• TRAP：跳转至某个既定程序的入口，执行完毕后，执行下一条指令。既定的程序的入口用trapvector陷入矢量来表示位置。

LC-3数据通路总结

1. 全局总线：黑粗箭头即为全局总线（Global Bus），16bit，同时只能有一个数据传输，故需要控制单元控制各部分向全局总线传递数据。
2. 内存：由控制单元发送读/写使能信号，控制内存的读或写操作；同样MAR和MDR也由控制单元发送控制信号控制数据的写入。
3. ALU和寄存器：ALU有两个输入，一个来自寄存器（SR1信号作为地址），一个来自寄存器（SR2信号作为地址）或立即数（由指令bit[5]作为SR2MUX的选择信号）；ALU的操作结果是放在某个GPR中，这是由指令中DR这个3bit的地址信号确定的。当GPR发生变化后，ALU的输出会经过全局总线送给LOGIC单元对条件码进行置位。
4. PC：PC的输入为PCMUX选择器，PCMUX输入包括PC+1（正常执行）、利用offset计算的PC值（控制指令）、MDR（控制指令）
5. MAR：因为有各种寻址模式，通过分析MARMUX的输入可以很容易理解各种寻址模式。