0x00 指令系统概述
指令 是用户使用计算机和计算机本身运行的最小功能单位
能被一台计算机执行的 全部指令的集合 称为 该机的指令系统（指令集）
指令形式：
机器指令：二进制表示，CPU能够识别
汇编指令：符号便是，便于人识别，汇编指令 和 机器指令之间是一对一的关系
0x01 指令系统作用
指令系统 位于 机器语言层（指令系统结构层），是机器语言程序员看到的计算机
指令系统结构层 是 计算机硬件 和编译器 都能理解的语言系统， 定义了编译器 和硬件 之间的接口
设计指令系统的核心问题：
设计指令的功能 和格式
指令功能 由 计算机的功能确定
指令格式 与 计算机字长，存储器容量，存储模式，寄存器组织等有关
0x01 指令系统结构层
指令系统结构层 主要定义（设计）：
计算机的存储模式
寄存器组织
数据类型
指令系统
#存储模式
存储模式定义了：存储器结构，特殊存储器（堆栈），数据存储顺序，边界对齐等
（1）编址方式：按字节编址存储，即一个存储单元大小是一个字节。即8个存储元 构成一个存储单元
（2）数据存储顺序：大端存储（数据的低字节在高地址单元） 还是 小端存储
（3）边界对齐
当一个数据是 8字节的时候，我们定义边界对齐为 数据的起始地址 是8的倍数
当一个数据是 4字节的时候，我们定义边界对齐为 数据的起始地址 是4的倍数
（3）特殊存储器（堆栈）
在使用堆栈前，需要对堆栈的大小，在主存中的位置做出定义
使用堆栈时用三个专用的地址寄存器来管理：
Stack Pointer SP 堆栈指针 指向栈顶
Stack Base SB 堆栈基址 指向堆栈的最底部
Stack Limit SL 堆栈界限 指向堆栈的最顶端
堆栈界限 = 堆栈基址 ± 堆栈大小
两种堆栈设计方案：
堆栈界限SL > SB
SL < SB
非加载/存储体系结构：（复杂指令集系统）
存在除了load/store以外可以对内存进行读写的指令，例如：add AR,[0x 0001] 就含有读内存的操作
#寄存器组织
寄存器 是存储体系最上层的存储部件（速度最快，容量最小）
寄存器是软件设计者 唯一能够操作的CPU 内部资源
基本功能：
- 提供CPU运行所需的信息，
- 保存CPU运行结果
主要用途：
对频繁使用的数据进行快速访问
分类：
按照功能分类：
- 通用寄存器
- 专用寄存器
按照可操作性分类：
- 可见寄存器：指令系统结构层可见，可以程序访问，其中一部分用户程序可以访问（寄存器组），例如通用寄存器，另一部分只允许在内核模式下由操作系统使用
- 不可见寄存器：微体系结构层可见，指令系统结构层不可见，不可程序访问。
PC ： Program Counter
Z 零标志：如果运算器的运算结果为0，则该位为1 表示true
S 符号标志：如果运算结果为负数，该位为1
C 进位标志：如果运算结果有进位 或者 借位，该位为1
V 溢出标志：如果运算结果发生了溢出，该位为1
P 奇偶标志：如果运算结果中1的个数是奇数个，该位为1
A 半价进位标志：一个字节分为4位一组 4位一组 ，如果低4位向高4位 有进位或者借位的话
该位为1
前5个标志位 可以 通过指令 来进行 检测 或者 修改
A标志 不可以通过指令 来进行检测
# 数据类型
#指令系统
指令设计：指令格式以及地址码设计
基本格式： 操作码+地址码
地址码字段格式 : 源操作数 + 目的操作数 + 下条指令的地址
根据地址码字段的组成，可以将指令如下分类：
四地址指令 = 操作码字段 + 目的操作数 + 源操作数 + 下条指令地址
指令设计：基本寻址方式
寻址方式：指令获取操作数的方式
两种呈现方式：
1.隐式寻址：由操作码决定其寻址方式
2.显式寻址：指令中设置寻址方式字段
## 隐含寻址
## 立即寻址
操作数（例如 0x12 ） 直接就放在 指令 中
##寄存器寻址
##直接寻址
## 间接寻址
需要两次访存操作
（X） 表示以X为地址的 内存单元的内容
## 寄存器间接寻址
##相对寻址
## 基址寻址
## 变址寻址
特殊之处：指令执行完之后，变址寄存器中的值 是可以自动变址的。
## 堆栈寻址
习题：
0x02 操作码设计
#定长操作码设计
定长操作码：所有指令的操作码位数相同
例如：如果操作码位数为n的话，那么理论上一共可以有2^n 种操作
一个计算机指令系统需要的指令数 N 必然<=2^n
一般RISC系统（精简指令集系统）当中采用此方式
例如Sun的SPARC指令系统
#变长操作码(aka 扩展操作码)
即不同类型的指令 采用 不同长度的操作码
设计原则：
1.如果指令的字长固定，那么地址码越长，操作码越短
2.如果指令的字长可变，以指令使用频度为依据，使用频度高的指令用短操作码
使用频度低的指令用长操作码 （哈夫曼编码原理，使得平均操作码长度尽可能短）
## 基于霍夫曼编码原理设计变长操作码
例1：
平均操作码长度 =∑ (每个操作码的编码长度 * 频率);
例2：
扩展操作码设计思路：
首先给使用频率为80%的操作码进行编码，一共20条指令 需要 5位
剩余了2^5 - 20= 16条 编码未使用
然后给使用频率为15%的80条指令进行编码，之前剩余的16条编码
肯定不够用，所以在原来的5位之后再添加3位 16 * 2^3 = 128>8
从扩展生成的新编码 中挑选80个。
例题：
扩展操作码的依据是 指令的条数。
每类指令不是独立进行编码的，而是在上一类指令剩余的编码的基础上扩展编码
## 基于特定规则扩展操作码
不同类指令之间区分码非常明显
例如15-15-15编码法中 第二类指令 就可以 和 第一类指令 通过高4位来区分
## 依据地址码数量扩展操作码
注意二地址指令理论上可以用11位，有2^11次方中编码
但是为了和已经设计好的三地址指令的开头不重复，所以只能在三地址指令
剩余的编码 之后扩展5位
什么三地址指令操作码有6位，但是指令数小于2^6 -1 而不是2^6?
因为三地址指令理论上 可以有2^6种编码，但是不能把2^6种全用完
至少必须保留1种不能使用，作为二地址指令的前缀（区分码）
0x03 指令设计
机器字长 一般指 计算机数据处理、数据传输的 二进制位数
重点：
0x04 主流指令系统
RISC 精简指令集(指令集 = 指令系统)
CISC 复杂指令集
#CISC 复杂指令集计算机（Complicated Instruction Set Computer）
#RISC 精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）
#典型指令系统：Intel指令格式及示例（CSIC典型代表）
#典型指令系统：MIPS指令系统（RISC典型代表）
