408 计算机组成原理知识点记忆（4）指令系统

前言

本文基于王道考研《计算机组成原理考研复习指导》与唐朔飞《计算机组成原理》（第2版）、袁春风《计算机组成与系统结构》教材内容，结合 408 考研大纲，系统梳理指令系统的核心知识记忆点和框架，既为个人复习沉淀思考，亦希望能与同行者互助共进。

本章是软硬件的交界面,回答"机器能听懂哪些话、操作数在哪里找",指令格式与寻址方式是理解汇编与机器级代码的基础。

核心知识记忆点+理解性说明

第四章指令系统

1. 指令格式的基本概念

机器指令（简称指令）是指示计算机执行某种操作的命令。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。指令系统是指令集体系结构(ISA)中最核心的部分，ISA完整定义了软件和硬件之间的接口，是机器语言或汇编语言程序员所应熟悉的。

ISA 规定的内容主要包括：

指令格式，指令寻址方式，操作类型，以及每种操作对应的操作数的相应规定。2)操作数的类型，操作数寻址方式，以及是按大端方式还是按小端方式存放。3)程序可访问的寄存器编号、个数和位数，存储空间的大小和编址方式。4)指令执行过程的控制方式等，包括程序计数器、条件码定义等。

2. 指令格式

操作码字段地址码字段

指令长度等于机器字长：单字长指令半（双）半（双）

定长指令字结构所有指令长度均相等

从指令的角度来看，操作数存放位置可以是CPU中的通用寄存器、存储单元和I/O端口。

零地址指令

只给出操作码OP，没有显式地址。这种指令有两种可能：
不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等。
零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中。通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈。
一地址指令
只有目的操作数的单操作数指令，按A1地址读取操作数，进行OP操作后，结果存回原地址。

指令含义：OP(A1)→A1OP(A1) \to A1OP(A1)→A1

如操作码含义是加1、减1、求反、求补、移位等。
隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址A1可读取源操作数，指令可隐含约定另一个操作数由ACC（累加器）提供，运算结果也将存放在ACC中。

指令含义：(ACC)OP(A1)→ACC(ACC)OP(A1) \to ACC(ACC)OP(A1)→ACC

二地址三地址四地址

拓展操作码指令格式可变长度操作码

希望降低空间开销时，缩短代码长度更重要，应采用紧凑的变长操作码和变长指令字；希望降低时间开销以取得更好性能时，应采用定长操作码和定长指令字。

指令的操作类型

算术和逻辑运算指令

算术和逻辑运算指令有加(add)、减(sub)、比较(cmp)、乘(mul)、除(div)、与(and)、或(or)、取反(not)、取负(neg)、异或(xor)、加1(inc)、减1(dec)等。
移位指令

移位指令有算术移位、逻辑移位、循环移位、半字交换等。有的指令系统中，一条移位指令可以移动多位，此时通常用一个桶形移位器实现移位指令。
传送指令

传送指令通常有寄存器之间的传送(mov)、从内存单元读取数据到通用寄存器(load)、从通用寄存器写数据到内存单元(store)等。
串指令

串指令是对字符串进行操作的指令。如串传送、串比较、检索和传送转换等指令。
顺序控制指令

顺序控制指令用来控制程序执行的顺序。有条件转移(branch)、无条件转移(jmp)、跳步(skip)、调用(call)、返回(ret)等指令。
CPU控制指令

CPU控制指令有停机、开中断、关中断、系统模式切换以及进入特殊处理程序等指令。大多数机器将这类指令划为"特权"指令（也称为管态指令），只能在内核代码执行时使用，以防止因用户使用不当而对系统运行造成危害。
输入输出指令

输入输出指令用于完成CPU与外部设备交换数据或传送控制命令及状态信息。大多数机器都设置了这类指令，但是它们的寻址方式一般较少，常见的只有寄存器寻址、直接寻址和寄存器间接寻址等。当外设中的I/O地址空间和主存地址空间统一编址时，可以不设置这类指令，而用访存指令完成I/O操作。

指令系统设计风格：

累加型指令系统 2.栈型指令系统 Java虚拟机 3 通用寄存器型指令系统 4 Load/Strore型指令系统

:表示任意寄存器，若其后带有数字，则指定其位数，如表示32位寄存器（eax,ebx,ecx,edx,esi, edi, esp或ebp） ;< reg16>表示16位寄存器（ax,bx,cx或dx） ;< reg8>表示8位寄存器(ah,al,bh,bl,ch,cl,dh,dl)。

:表示内存地址（如 $eax$ 、 $var+4$ 或 dword ptr $eax+ebx$ ）。

:表示8位、16位或32位常数。表示8位常数 ;< con16>表示16位常数；表示32位常数。

数据传送指令
mov指令。将第二个操作数（寄存器的内容、内存中的内容或常数值）复制到第一个操作数（寄存器或内存）。
push指令。将操作数压入内存的栈，常用于函数调用。ESP是栈顶，入栈前先将ESP值减4（栈增长方向与内存地址增长方向相反），然后将操作数压入ESP指示的地址。
pop指令。与push指令相反，pop指令执行的是出栈工作，出栈前先将ESP指示的地址中的内容出栈，然后将ESP值加4。
算术和逻辑运算指令
add/sub 指令。add指令将两个操作数相加，相加的结果保存到第一个操作数中。sub扑令用于两个操作数相减，相减的结果保存到第一个操作数中。
inc/dec指令。inc、dec指令分别表示将操作数自加1、自减1。
imul指令。有符号整数乘法指令，有两种格式：1两个操作数，将两个操作数相乘，将结果保存在第一个操作数中，第一个操作数必须为寄存器；2三个操作数，将第二个和第三个操作数相乘，将结果保存在第一个操作数中，第一个操作数必须为寄存器。
idiv 指令。有符号整数除法指令，它只有一个操作数，即除数，而被除数则为edx:eax中的内容（共64位），操作结果有两部分：商和余数，商送到eax,余数则送到edx。
and/or/xor指令。and、or、xor指令分别是逻辑与、逻辑或、逻辑异或操作指令，用于操作数的位操作，操作结果放在第一个操作数中。
not指令。位翻转指令，将操作数中的每一位翻转，即 0→10 \to 10→1、1→01 \to 01→0。
neg指令。取负指令。
shl/shr 指令。逻辑移位指令，shl为逻辑左移，shr为逻辑右移，第一个操作数表示被操作数，第二个操作数指示移位的位数。
控制流指令

维持着一个指示当前执行指令的指令指针(IP)，当一条指令执行后，此指针自动指向下一条指令。IP寄存器不能直接操作，但可以用控制流指令更新。通常用标签(label)指示程序中的指令地址，在x86汇编代码中，可在任何指令前加入标签。
jmp指令。jmp指令控制IP转移到label所指示的地址（从label中取出指令执行）。
jcondition 指令。条件转移指令，依据CPU状态字中的一系列条件状态转移。CPU状态字中包括指示最后一个算术运算结果是否为0，运算结果是否为负数等。
cmp/test指令。cmp指令的功能相当于sub指令，用于比较两个操作数的值。test指令的功能相当于and指令，对两个操作数进行逐位与运算。与sub和and指令不同的是，这两类指令都不保存操作结果，仅根据运算结果设置CPU状态字中的条件码。4)call/ret指令。分别用于实现子程序（过程、函数等）的调用及返回。call 指令将下一条指令的地址（返回地址）入栈，然后无条件转移到由标签指示的指令。与其他简单的跳转指令不同，call指令保存该指令的下一条指令的地址（当call指令结束后，返回保存的地址）。ret指令实现子程序的返回机制，ret指令弹出栈中保存的指令地址，然后无条件转移到保存的指令地址执行。call和ret是程序（函数）调用中最关键的两条指令。

有些机器的左移指令会生成OF标志。还有的机器在算术左移时将操作数的最高位移入进位标志，通过判断符号标志和进位标志是否相等来判断是否发生了溢出。

各种指令的数据通路图

过程调用的机器级表示

call/ret指令主要用于过程调用，它们都属于一种无条件转移指令。

假定过程P（调用者）调用过程Q（被调用者），过程调用的执行步骤如下：

P将入口参数（实参）放到Q能访问到的地方。
P将返回地址存到特定的地方，然后将控制转移到Q。
Q保存P的现场（通用寄存器的内容），并为自己的非静态局部变量分配空间。
执行过程Q。
Q恢复P的现场，将返回结果放到P能访问到的地方，并释放局部变量所占空间。
Q取出返回地址，将控制转移到P。
步骤2)是由call指令实现的，步骤6)通过ret指令返回到过程P。在上述步骤中，需要为入口参数、返回地址、过程P的现场、过程Q的局部变量、返回结果找到存放空间。
用户可见寄存器数量有限，调用者和被调用者需共享寄存器，若直接覆盖对方的寄存器，则会导致程序出错。因此有如下规范：寄存器EAX、ECX和EDX是调用者保存寄存器，当P调用Q时，若Q需用到这些寄存器，则由P将这些寄存器的内容保存到栈中，并在返回后由P恢复它们的值。寄存器EBX、ESI、EDI是被调用者保存寄存器，当P调用Q时，Q必须先将这些寄存器的内容保存在栈中才能使用它们，并在返回P之前先恢复它们的值。
每个过程都有自己的栈区，称为栈帧，因此，一个栈由若干栈帧组成，寄存器EBP指示栈帧的起始位置，寄存器ESP指示栈顶，栈从高地址向低地址增长。过程执行时，ESP会随着数据的入栈而动态变化，而EBP固定不变。当前栈帧的范围在EBP和ESP指向的区域之间。

下面用一个简单的C语言程序来说明过程调用的机器级实现。

int add(int x, int y) {

return x+y;

}

int caller () {

int templ=125;

int temp2=80;

int sum=add(templ,temp2);

return sum;

}

经GCC编译后，caller过程对应的代码如下：

caller:

push ebp

mov ebp, esp

sub esp, 24

mov $ebp-12$ ,125 #M $R\[ebp$ -12]-125, E0 temp1=125mov $ebp-8$ ,80 #M $R\[ebp$ -8]-80, EJ temp2=80mov eax, dword ptr $ebp-8$ #R $eax$ M $R\[ebp$ -8], EpR $eax$ =temp2mov $esp+4$ , eax #M $R\[esp$ +4]←R $eax$ ，即temp2 入栈mov eax, dword ptr $ebp-12$ #R $eax$ <M $R\[ebp$ -12], E| R $eax$ =temp1mov $esp$ ,eax #M $R\[esp$ ]←R $eax$ ，即temp1入栈call add #调用add,将返回值保存在eax中

mov $ebp-4$ , eax #M $R\[ebp$ -4]←R $eax$ ，即add返回值送summov eax,dword ptr $ebp-4$ #R $eax$ <M $R\[ebp$ -4]，即sum作为返回值leave

ret

假定caller被过程P调用。执行第4行的指令后，ESP所指的位置如图中所示，可以看出GCC为caller的参数分配了24字节的空间。从汇编代码中可以看出，caller 中只使用了调用者保存寄存器EAX，没有使用任何被调用者保存寄存器，因此在caller栈帧中无须保存除EBP外的任何寄存器的值；caller有三个局部变量temp1、temp2和sum,皆被分配在栈帧中；在用call指令调用add函数之前，caller先将入口参数从右向左依次将temp2和temp1的值（即80和125）保存到栈中。在执行call指令时再把返回地址压入栈中。此外，在最初进入caller时，还将EBP的值压入了栈，因此caller的栈帧中用到的空间占 4+12+8+4=284+12+8+4=284+12+8+4=28 字节。但是，caller的栈帧共有 4+24+4=324+24+4=324+24+4=32 字节，其中浪费了4字节的空间（未使用）。这是因为GCC为保证数据的严格对齐而规定每个函数的栈帧大小必须是16字节的倍数。

call指令执行后，add函数的返回参数存放在EAX中，因此call指令后面的两条指令中，指令"mov $ebp-4$ ,eax"将add的结果存入sum变量的存储空间，该变量的地址为R $ebp$ -4;指令"mov eax,dword ptr $ebp-4$ "将sum变量的值作为返回值送到寄存器EAX中。

在执行ret指令之前，应将当前栈帧释放，并恢复旧EBP的值，上述第14行leave指令实现了这个功能，leave指令功能相当于以下两条指令的功能：

mov esp, ebp

pop ebp

其中，第一条指令使ESP指向当前EBP的位置，第二条指令执行后，EBP恢复为P中的旧值，并使ESP指向返回地址。

执行完leave指令后，ret指令就可从ESP所指处取返回地址，以返回P执行。当然，编译器也可通过pop指令和对ESP的内容做加法来进行退栈操作，而不一定要使用leave指令。add 过程经GCC编译并进行链接后，对应的代码如下所示：

8048469:55 push ebp

804846a:89 e5 mov ebp, esp

804846c:8b 45 0c mov eax, dword ptr $ebp+12$

804846f:8b 55 08 mov edx, dword ptr $ebp+8$

8048472:8d 04 02 lea eax, $edx+eax$

8048475:5d pop ebp

8048476:c3 ret

通常，一个过程对应的机器级代码都有三个部分：准备阶段、过程体和结束阶段。

上述第1、2行的指令构成准备阶段的代码段，这是最简单的准备阶段代码段，它通过将当前栈指针ESP传送到EBP来完成将EBP指向当前栈帧底部的任务，如图4.12所示，EBP指向add栈帧底部，从而可以方便地通过EBP获取入口参数。这里add的入口参数x和y对应的值（125和80）分别在地址为R $ebp$ +8、R $ebp$ +12的存储单元中。

上述第3、4、5行的指令序列是过程体的代码段，过程体结束时将返回值放在EAX中。这里好像没有加法指令，实际上第5行lea指令执行的是加法运算R $edx$ +R $eax$ =x+y。

上述第6、7行的指令序列是结束阶段的代码段，通过将EBP弹出栈帧来恢复EBP在caller过程中的值，并在栈中退出add 过程的栈帧，使得执行到ret指令时栈顶中已经是返回地址。这里的返回地址应该是caller代码中第12行的指令"mov $ebp-4$ ,eax"的地址。add 过程中没有用到任何被调用者保存寄存器，没有局部变量，此外，add是一个被调用过程，并且不再调用其他过程，因此也没有入口参数和返回地址要保存，因此，在add的栈帧中除了需要保存EBP，无须保留其他任何信息。

3. 寻址方式

采用虚拟存储机制，有效地址就是虚拟地址不采用主存物理地址

指令寻址顺序寻址；跳跃寻址绝对转移直接给出目标地址相对转移相对于当前PC偏移数据寻址操作码寻址特征形式地址A 操作数在存储器中的真实地址有效地址EA

如果任何一个通用寄存器都可作为变址寄存器，则必须在指令中明确地给出一个通用寄存器的编号，并标明作为变址寄存器使用；若处理器中有一个专门的变址寄存器，则无须在指令中明确给出。

使用专用的基址寄存器被称为是隐式基址寻址，使用指定的通用寄存器作为基址寄存器被称为是显式基址寻址。

对于两次间接寻址，指令字中的A依然是形式地址，访问主存地址为A的存储单元，取出后发现存储字首位为"1"（多次间接寻址需要用存储字中的第一位作标志位，用来说明该存储字是否是有效地址），说明该存储字中的A1并不是有效地址，还需要继续寻址。随后访问主存地址为A1的存储单元，取出后发现存储字的首位为"0"，说明该存储字中的地址是有效地址EA。

中断：典型的由I/O设备触发的与当前正在执行的指令无关的异步事件

异常：处理器执行一条指令时，由处理器在其内部检测到的，与正在执行的指令相关的同步事件

4. 数据的对齐和大/小端存放方式

关于对结构体的对齐，主要包括两个方面：

一是对结构体的整体进行对齐（要求结构体的最终大小必须是最大元素对齐大小的整数倍）；二是对结构体数据成员的对齐（每个数据成员的起始地址必须是自身对齐大小的整数倍）。

5. CISC和RISC的基本概念

复杂指令系统计算机CISC X86 大多数微程序精简 RISC ARM，MIPS 硬布线为主组合逻辑只有LOAD/STORE（取数/存数指令访存）

6. 高级语言程序与机器级代码之间的对应

编译器、汇编器与链接器的基本概念；选择结构语句的机器级表示循环结构语句的机器级表示；过程（函数）调用对应的机器级表示

总结（本章速记）

本章知识骨架：

1. 指令格式的基本概念
1. 指令格式
1. 寻址方式
1. 数据的对齐和大/小端存放方式
1. CISC和RISC的基本概念
1. 高级语言程序与机器级代码之间的对应
  编译器、汇编器与链接器的基本概念；选择结构语句的机器级表示循环结构语句的机器级表示；过程（函数）调用对应的机器级表示

关键速记清单：

ISA 规定的内容主要包括：
操作码字段地址码字段
指令长度等于机器字长：单字长指令半（双）半（双）
定长指令字结构所有指令长度均相等
零地址指令
只给出操作码OP，没有显式地址。这种指令有两种可能：
不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等。
一地址指令
指令含义：OP(A1)→A1OP(A1) \to A1OP(A1)→A1
如操作码含义是加1、减1、求反、求补、移位等。
指令含义：(ACC)OP(A1)→ACC(ACC)OP(A1) \to ACC(ACC)OP(A1)→ACC
二地址三地址四地址
拓展操作码指令格式可变长度操作码
指令的操作类型
算术和逻辑运算指令
移位指令
传送指令
顺序控制指令
CPU控制指令
输入输出指令
指令系统设计风格：
数据传送指令
not指令。位翻转指令，将操作数中的每一位翻转，即 0→10 \to 10→1、1→01 \to 01→0。
neg指令。取负指令。
控制流指令
各种指令的数据通路图
过程调用的机器级表示
call/ret指令主要用于过程调用，它们都属于一种无条件转移指令。
假定过程P（调用者）调用过程Q（被调用者），过程调用的执行步骤如下：
P将入口参数（实参）放到Q能访问到的地方。
P将返回地址存到特定的地方，然后将控制转移到Q。
执行过程Q。
Q取出返回地址，将控制转移到P。
下面用一个简单的C语言程序来说明过程调用的机器级实现。
int add(int x, int y) {
return x+y;
int caller () {
int templ=125;
int temp2=80;
int sum=add(templ,temp2);
return sum;
经GCC编译后，caller过程对应的代码如下：
caller:
push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 24
mov esp, ebp
pop ebp
8048469:55 push ebp
804846a:89 e5 mov ebp, esp
8048475:5d pop ebp
8048476:c3 ret
采用虚拟存储机制，有效地址就是虚拟地址不采用主存物理地址
中断：典型的由I/O设备触发的与当前正在执行的指令无关的异步事件
关于对结构体的对齐，主要包括两个方面：

结语

指令系统是软件与硬件之间最古老的一份契约。CISC 与 RISC 的争论,本质是"把复杂度交给编译器还是交给硬件";寻址方式的丰富程度,直接决定了机器码的表达力与译码代价;而大/小端、边界对齐这些看似琐碎的细节,恰恰是理解内存布局、结构体大小与跨平台兼容的关键。学习本章最好的方法,是拿一段 C 代码反汇编出来逐行对照------当你能读懂一条 mov 背后的取数路径,指令系统才真正属于你。

参考资料

王道考研《计算机组成原理考研复习指导》
唐朔飞．计算机组成原理（第2版）．
袁春风．计算机组成与系统结构．

408 计算机组成原理 知识点记忆（4）指令系统