计算机组成原理的学习笔记(8)-- 指令系统·其一 指令的组成以及数据寻址方式/RISK和CISK

学习笔记

前言

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本文主要是对于b站尚硅谷的计算机组成原理的学习笔记，仅用于学习交流。

1. 指令

1.1 组成

• 操作码（Opcode）：指指令中执行特定操作的部分。
• 地址码：指令中用于指定操作数位置的部分。

1.2 扩展操作码

• 变化长度操作码：采用哈夫曼编码等技术确保操作码不重复。
• 实现步骤：需求分析、设计、硬件实现、软件支持、验证测试和文档发布。

2. 常见的数据寻址方式

2.1 立即寻址

• 定义：操作数直接写在指令中，不需要访问内存。
• 实现：指令的操作数就是数据。
• 应用场景：常用于赋值操作，例如 MOV AX, 5，将数值 5 加载到寄存器 AX。
• 优点：简单，速度最快。
• 缺点：数据范围小。

2.2 直接寻址

• 定义：指令中给出的是一个内存地址，CPU 直接访问该地址的内容。
• 实现：从内存中直接读取数据。
• 应用场景：简单的内存访问。
• 优点：简洁
• 缺点：不灵活，无法动态计算地址。

2.3 间接寻址

• 定义：指令中给出的地址是一个指针，指向另一个内存地址，CPU 需要先从该指针中获取目标地址，再访问数据。
• 实现：首先从给定的地址获取一个指向数据的地址，然后再访问数据。
• 应用场景：动态数据访问，指针操作等。
• 优点：灵活，可以访问不同的内存位置，尤其适用于复杂数据结构。
• 缺点：需要两次内存访问，速度较慢。

2.4 隐含寻址

• 定义：指令的操作数由指令本身隐含或自动确定，操作数的位置不需要显式提供。CPU 在执行指令时自动操作特定的寄存器或内存位置。

  实现：操作码本身决定了操作数的位置，通常固定与某些寄存器或硬件资源关联。

  应用场景：适用于寄存器操作、堆栈操作、状态寄存器操作等简单且快速的操作。

  优点：

  • 无需显式地址，指令格式简洁。
  • 操作快速，无需地址计算或内存访问。

  缺点：

  • 灵活性较差，操作数位置固定，无法动态指定或变更。

2.5 寄存器寻址

• 定义：操作数直接存储在寄存器中，指令通过指定寄存器来访问数据。
• 实现：指令操作数本身是寄存器的值，无需访问内存。
• 应用场景：寄存器之间的操作，如 MOV AX, BX，将寄存器 BX 的值复制到 AX。
• 优点：访问速度非常快，因为寄存器访问是最快的。
• 缺点：数量有限，无法存储大量数据。

2.6 寄存器间接寻址

• 定义：使用寄存器存储数据的地址，寄存器中存储的是指向数据的内存地址，CPU 通过寄存器访问内存。
• 实现：寄存器中的值指向目标数据的内存地址，CPU 通过该寄存器来间接访问数据。
• 应用场景：通过寄存器指向内存地址的操作，如 MOV AX, [BX]，将 BX 指向的内存地址中的值加载到 AX 寄存器中。
• 优点：灵活，寄存器间接寻址支持动态访问内存。
• 缺点：需要管理寄存器中的地址，速度较直接寻址慢。

2.7 基址寻址

• 定义：通过基地址寄存器和偏移量计算最终地址。
• 实现：将基址寄存器和偏移量相加，得到内存地址。
• 应用场景：数组或结构体的访问。
• 优点：适合访问连续的数据块，灵活，常用于数组和结构体。
• 缺点：需要管理基址寄存器和偏移量。

2.8 变址寻址

• 定义：基址寻址的一种扩展，使用基址寄存器和索引寄存器的组合来计算地址。
• 实现：基址寄存器 + (索引寄存器 × 步长) + 偏移量。
• 应用场景：访问数组元素。
• 优点：支持灵活的内存访问，尤其适用于数组访问。
• 缺点：需要使用多个寄存器，增加了计算复杂度。

2.9 相对寻址

• 定义：相对地址是指相对于当前指令的地址（或程序计数器 PC）的偏移量。
• 实现：通过当前地址（PC）加上偏移量计算最终地址，常用于跳转或分支指令。
• 应用场景：程序跳转、分支语句、函数调用等。
• 优点：常用于控制流操作，支持代码独立性和程序重定位。
• 缺点：只能用于跳转和分支指令，通常不适用于数据访问。

2.10 堆栈寻址

• 定义：通过栈顶指针（SP）来访问数据。
• 实现：栈顶元素的地址由栈指针寄存器（SP）决定。
• 应用场景：函数调用、局部变量管理、返回地址管理等。
• 优点：支持动态的函数调用和局部数据存取，常用于递归和函数栈。
• 缺点：操作栈需要使用专门的寄存器和管理机制。

**CISC 和 RISC **

1. CISC（复杂指令集计算机）

• 定义：CISC 是一种复杂指令集架构，其指令设计旨在让每条指令能够完成更多复杂的操作，从而减少程序代码长度。

特点

1. 复杂指令：
   • 每条指令可能完成多个操作，如加载数据、计算结果、存储数据。
   • 指令长度不固定。
2. 多种寻址方式：
   • 支持多种复杂的寻址模式（如直接寻址、间接寻址、变址寻址等）。
3. 微代码控制：
   • CISC 使用微代码来解释复杂指令，并将其转化为多个基本的硬件操作。
4. 高指令密度：
   • 程序代码更短，因为每条指令能完成更复杂的操作。
5. 硬件复杂：
   • 由于需要支持多种复杂指令和寻址方式，硬件设计复杂。

优点

• 程序代码短，适合内存较小的环境。
• 单条指令完成更多操作，减少了程序员编写代码的复杂性。

缺点

• 执行复杂指令可能需要多个时钟周期，性能不如精简架构高效。
• 硬件设计复杂，增加了成本和功耗。

代表

• x86 架构：Intel 和 AMD 的大多数处理器都属于 CISC。

2. RISC（精简指令集计算机）

• 定义：RISC 是一种精简指令集架构，其设计目标是提供少而简单的指令集，以提高指令执行效率。

特点

1. 精简指令：
   • 每条指令执行一个基本操作，如加法、存储、加载等。
   • 指令长度固定，通常为 32 位。
2. 单周期执行：
   • 大多数指令在一个时钟周期内完成。
3. 少寻址方式：
   • 通常支持少量简单的寻址模式（如寄存器寻址和立即寻址）。
4. 硬连线控制：
   • 指令直接由硬件实现，无需微代码解释。
5. 依赖寄存器：
   • RISC 处理器通常配备大量的通用寄存器，用于存储中间数据，减少对内存的访问。

优点

• 每条指令执行快，指令执行效率高。
• 硬件设计简单，功耗低，易于优化和扩展。

缺点

• 程序代码长度较长，因为复杂操作需要多条指令组合实现。
• 对编译器要求较高，需要优化生成高效的指令序列。

代表

• ARM 架构：大多数移动设备（如智能手机、平板电脑）的处理器都使用 ARM。
• MIPS 架构：早期嵌入式设备和学术研究中常用的架构。

3. CISC 和 RISC 的对比

结语

好累，好多没看懂的都得问问AI，寻址什么的…好麻烦。