计算机组成第二周：指令系统体系结构

1 x86体系结构

体系结构	厂商	微处理器型号	字长	年代
IA-16	Intel	8086, 8088, 80186, 80188, 80286	16位	1978年起
IA-32	Intel	80386, 80486, Pentium, Pentium Pro/II/III/4, Core, Atom	32位	1985年起
	AMD	Am386, Am486, Am5x86, K5, K6, Athlon
	Others	Cyrix 5x86, VIA C3/C7, Transmeta Crusoe/Efficeon
x86-64	AMD	Opteron, Athlon 64, Phenom, Phenom II	64位	2003年起
	Intel	Pentium 4 Prescott, Core 2, Core i3/i5/i7
	Others	VIA Nano

1.1 寄存器模型

寄存器类型	Intel 8086	Intel 80386	x86-64
通用寄存器	AX, BX, CX, DX, SP, BP, SI, DI	EAX, EBX, ECX, EDX, ESP, EBP, ESI, EDI	RAX, RBX, RCX, RDX, RSP, RBP, RSI, RDI, R8~R15
指令指针寄存器	IP	EIP	RIP
标志寄存器	FLAGS	EFLAGS	RFLAGS
段寄存器	CS, DS, ES, SS	CS, DS, ES, SS, FS, GS	CS, DS, ES, SS, FS, GS

1.2 Intel 8086

内部的通用寄存器为16位，既能处理16位数据，也能处理8位数据

对外有16根数据线和20根地址线，可寻址内存空间为1MByte（2202^{20}）

物理地址的形成采用段加偏移的方式

有4个数据寄存器，存放通用数据，此外还有其他功能：

- AX（Accumulator）：存放乘除等指令的操作数

- BX（Base）：存放存储单元的偏移地址

- CX（Count）：存放计数值

- DX（Data）：乘法运算产生的部分积，除法运算的部分被除数

其他4个通用寄存器：

- SP：堆栈指针寄存器，用来指向当前的栈

- BP：基址指针寄存器，指向系统栈最上面一个栈帧的底部

- SI：源变址寄存器，用于存放存储单元在段内的偏移量，串指令中的源操作数指针

- DI：目的变址寄存器，用于存放存储单元在段内的偏移量，串指令中的目的操作数指针

（SI通常指向源数组，DI通常指向目的数组，他们通常被用来成块地移动数据，比如移动数组或结构体，通常和DS和ES一起使用）

标志寄存器：



指令指针寄存器：

- 相当于PC，当CPU取出指令后会自动增加

- 转移指令、过程调用/返回指令等会改变IP的内容

段寄存器，与其他寄存器联合生成存储器地址：

- CS（Code Segment）：代码段寄存器

- DS（Data Segment）：数据段寄存器

- ES（Extra Segment）：附加段寄存器

- SS（Stack Segment）：堆栈段寄存器

物理地址＝段基值＊16＋偏移量

1.3 Intel 80386

80x86系列中的第一款32位微处理器

支持32位的算术和逻辑运算，提供32位的通用寄存器

改进了“保护模式“，段范围可达4GB

增加了“虚拟8086模式“，可同时模拟多个8086微处理器

2 x86指令简介

2.1 程序示例

2.2 指令分类

2.2.1 传送类指令

2.2.2 运算类指令

2.2.3 转移类指令

2.2.4 控制类指令

2.2.5 串操作指令

MOVSB指令：在存储器中将指定位置的一个字节单元传送到另一个指定的位置

REP前缀：当CX≠\neq0时，重复执行串操作指令

源串地址为DS:SI，目的串地址为ES:DI

串的长度在CX寄存器中

自动修改SI和DI，指向下一个串元素

若使用重复前缀，则CX←\leftarrowCX-1

3 MIPS体系结构

MIPS的设计者，RISC的先驱：约翰⋅\cdot亨尼西（John Hennessy）

英文全称：Microprocessor without Interlocked Piped Stages

主要关注点：减少指令的类型，降低指令的复杂度

基本原则：A simpler CPU is a faster CPU

3.1 MIPS公司

年份	事件
1984	MIPS计算机系统公司成立
1988	SGI公司在其计算机产品中采用MIPS处理器
1989	MIPS第一次上市
1992	SGI收购MIPS，更名为MIPS技术公司
1998	MIPS再次上市
2012	Imagination Technologies收购MIPS

应用领域：数字电视，机顶盒，蓝光播放器，游戏机，网络设备等

3.2 MIPS指令的主要特点

固定的指令长度（32bit，即1 word）

简化了从存储器取指令

简单的寻址模式

简化了从存储器取操作数

指令数量少，指令功能简单（一条指令只完成一个操作）

简化指令的执行过程

只有Load和Store指令可以访问存储器

例如，不支持x86指令的这种操作：ADD AX, [3000H]

需要优秀的编译器支持

指令示例：

- add a, b, c

- lw $8, 12($19)

- add, $8, $18, $8

- sw $8, 40($19)

3.3 MIPS的通用寄存器

3.4 MIPS指令的基本格式

opcode：用于指定指令的类型，对于所有R型指令，该域的值均为0

rs：通常用于指定第一个源操作数所在的寄存器编号

rt：通常用于指定第二个源操作数所在的寄存器编号

rd：通常用于指定目的操作数（保存运算结果）的寄存器编号

shamt：用于指定移位指令进行移位操作的位数，对于非移位指令，该域设为0

与opcode域组合，精确地指定指令的类型