计算机组成与设计（二）——指令：计算机指令 （一）

   一、 前言：

    要计算机服从指挥，就必须用计算机的语言

    1. 指令：计算机语言中的基本单词称为指令。

    

    2. 指令集： 一个给定的计算机体系结构所包含的指令集合。

    

    3. 尽管机器语言种类繁多，但彼此之间十分类似，因此其差异性更像人类语言中的“方言”，而并非独立语言，因此，了解其中一种机器语言之后，对其他机器语言即可触类旁通。

    4. 常见的计算机指令集：MIPS、ARMv7，Intel x86等。下文以MIPS进行讲解。

    5. 由于指令集的相似性，可以使得所有计算机都是基于基本原理相似的硬件技术构建，而另一方面，所有计算机都必须提供一些基本操作，此外，计算机设计者有一个共同目标：

                     找到一种语言，可方便硬件和编译器的设计，且使得性能最佳，同时使成本和功耗最低。

                        

                上图可以看出，不同指令集之间的相似性导致了硬件技术的相似性，而同时无论什么样的指令，都必须为计算机提供完备的基本操作，因此抽象出了设备简单性原则，依据此原则对计算机硬件进行设计。

    

    二、计算机硬件操作

    

    1. 前言：

           任何计算机都必须能够执行算术运算，因此，针对计算机硬件的操作，如何设计硬件变得尤为重要。

    2. 硬件设计三原则：

        2.1  简单源于规整：这条原则针对指令格式进行严格约束，它规定，一条指令有且仅有三个操作数。

            例如：add a，b，c（此处add为加和操作，a，b，c表示将b+c的结果存入a中，后续参数的表示会进一步规整化，因为参数一般都是存于寄存器中。）

        2.2  越小越快：这条设计原则针对寄存器的个数进行约束，目的是为了保证程序的执行速度。寄存器数量过多会使得时钟周期变长。

            概念解释：

                操作数：与高级程序设计语言不通（如C语言），MIPS算术运算指令的操作数是很严格的，它必须来自于寄存器。

                寄存器：寄存器由硬件直接构建且数量有限，是计算机硬件设计的基本元素。通俗来说，就相当于一个大小为32位的收纳盒，每个收纳盒只能存放一个操作数，这些收纳盒会直接参与到算术运算中去。比如，2.1中的add a，b，c这条指令中的三个参数，均需要从寄存器中选取。另外，MIPS体系结构中，有32个32位的寄存器，且寄存器位于处理器内部。

                字：计算机中的基本访问单位，通常为32位为一组，在MIPS体系结构中与寄存器大小相同。

            

                 MIPS约定，书写指令时用一个“$”后面跟两个字符表示一个寄存器，如$S0,$S1,$t1。           

                PS：MIPS的算术运算指令只对寄存器进行操作，而实际上大量的数据会存储在存储器上，所以MIPS必须包含在存储器和寄存器之间传送数据的指令。这些指令叫做数据传送指令。

                存储器：一个很大的下标从0开始的一维数组，因此，为了访问存储器中的一个字，指令必须给出存储器地址，这个地址就相当于数组下标。

            

                

                上图中，可以看到，存储器通过数据通路，将数据传输至处理器的寄存器中，并进行相关的算术运算。

                

                程序中，经常会在某个操作中使用常数，由于这些常数一般需要从存储器中读取，这一操作非常耗时，因此诞生了一种常数操作数的快速操作指令，叫做立即数。

        2.3 优秀的设计需要适宜折中方案，通俗的来说，为了保持所有指令长度相同，又希望具有统一的指令格式，需要依据设计原则三，在保持所有指令长度相同的同时，不同指令类型采用不同的指令格式。

                

               

   在解释第三条原则之前，需要讲解一下有符号数和无符号数

                计算机硬件中，所有信息都是由二进制数位或者位组成。在一个32位的字中，从0开始，从右向左标记。最低有效位表示最右边的一位，最高有效位表示最左边的一位。

                

                为了区分有符号数和无符号数，将最高有效位作为符号位进行区分。因此延伸出补码这一概念，补码和原码的关系：

                x（原码） = x（补码）+1   

                注意，这里加1 是因为 补码最小位（1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ） 和原码最大位（0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111）之和 为 -1，因此需要加1。

                人操作计算机的方式和计算机看到的指令的方式是不同的。指令在计算机内部是以若干或高或低的电信号的序列表示的，并且在形式上和数的表示相同。实际上，指令的各部分都可以看成一个独立的数，将这些数拼接在一起就形成了指令。

                因为几乎所有的质量都用到了寄存器，因此需要有一套规定，以将寄存器名字映射成数字，在MIPS汇编语言中，寄存器$S0~$S7映射到寄存器16~23，同时，寄存器$t0~$t7映射到寄存器8~15。

                汇编语言指令需要翻译成机器指令。机器指令分为若干个字段。指令的布局形式叫做指令格式，把指令的数字形式称为机器语言，这样的指令序列叫做机器码。

                

                MIPS字段（R型，用于寄存器）：

                    op（6位）：指令的基本操作，称为操作码

                    rs（5位）：第一个源操作数寄存器

                    rt（5位）：第二个源操作数寄存器

                    rd（5位）：用于存放操作结果的目的寄存器

                    shamt（5位）：位移量，作位移指令时才需要

                    funct（6位）：功能，一般称为功能码，用于指明op字段操作的特定变式。

                MIPS字段（I型，用于立即数）：  

                    op（6位）：指令的基本操作，称为操作码

                    rs（5位）：第一个源操作数寄存器

                    rt（5位）：第二个源操作数寄存器

                    constant or address（16位）：立即数地址