指令基本格式

通常包括操作码字段和地址码字段两个部分

扩展操作码

定长指令字结构+可变长操作码即为扩展操作码

设计扩展操作码时，要注意：

不允许短码是长码的前缀
各指令操作码一定不能重复

对使用频率较高的指令分配较短的操作码，较低的分配较长的

例：指令字长固定16位，地址码需要四位，需要满足

15条三地址指令
12条二地址指令
62条一地址指令
32条零地址指令

则三地址指令的指令码设为0000-1110

二地址开头4bit为1111，后四位设为0000-1011，剩余的开头11xx的留给下一位地址

所以一地址开头设为111111，后六位设为1地址指令，范围是110000-111101，剩余开头11111x的留给下一位地址

所以零地址开头设为11111111111，后五位正好0-31装32条，00000-11111

总结一下：若地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可以扩展出\(m\times 2^n\)种状态

寻址

指令寻址

PC始终用于指向下一条要执行的指令的地址

若对一条2字节的指令寻址，但是如果是按字节编址，一条指令需要+2才能得到下一条，或者按变长指令字，PC不知道一条指令多长，无法按指定值递增，会出现问题

看两个例子：

按字编址

按字节编址

变长指令字结构

图中相同颜色的是一条指令，可以看出每条指令占的字节数都不同

跳跃寻址

可以由转移指令JMP给出指定地址码，将PC的值修改为对应地址，实现无条件转移

数据寻址

确定本条指令的地址码指明的真实地址

数据寻址有十种寻址方式，为了指定每次寻址的寻址特征，可以在每个形式地址前添加一个四位的寻址方式位，称为寻址特征

寻址特征+形式地址才是操作数的真实地址，称为有效地址（EA）

直接寻址

指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA=A

需要访存两次：取指令、执行指令

优点：执行指令仅访问一次主存，不需要专门计算操作数地址

缺点：A的位数决定指令操作数的寻址范围，操作数地址不易修改

间接寻址

指令地址字段给出的是操作数有效地址所在的存储单元的地址，即地址的地址，EA=(A)

间接寻址可以间接若干次

访存三次：取指令一次，执行指令两次

优点：可以扩大寻址范围（有效地址EA的位数大于形式地址A的位数），便于编制程序

缺点：多次访存

寄存器寻址

指令字中直接给出操作数所在寄存器编号，即\(EA=R_i\)，操作数位于\(R_i\)所指的寄存器内

访存一次：取指令一次

优点：执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且速度快

缺点：价格昂贵，寄存器个数有限

寄存器间接寻址

寄存器给出的是操作数所在主存单元地址\(EA=(R_i)\)

访存两次：取指令一次，执行指令一次

特点：比一般间接寻址快

隐含寻址

指令中隐含着操作数的地址

优点：有利于缩短指令字长

缺点：需要增加存储操作数或硬件

立即寻址

形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码，地址前用#表示

访存一次：取指令

偏移寻址

基址寻址

将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A，形成操作数的有效地址，即EA=(BR)+A

有的设备中会使用若干通用寄存器代替基址寄存器的功能，需要花\(\log_2n\)个bit位指明用哪个寄存器作为基址寄存器

优点：便于程序浮动，方便多道程序并发运行

注意：基址寄存器是面向操作系统的，内容由操作系统或管理程序决定，程序执行时基址寄存器内容不变

采用通用寄存器作为基址寄存器时，用户只可以决定用哪个寄存器作为基址寄存器

变址寻址

有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即EX=(IX)+A

同样可以用通用寄存器作为变址寄存器

注：变址寄存器是面向用户的，程序执行过程中，变址寄存器的内容可以由用户改变

例：

相对寻址

把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即EA=(PC)+A，A是相对于PC所指地址的偏移量，补码表示

例：

优点：代码在程序内浮动时不用更改跳转指令的地址码

堆栈寻址

指操作数放在堆栈中，隐含使用堆栈指针SP作为操作数地址

堆栈是存储器内一块特定按LIFO管理的存储区，该存储区中被读写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，称为堆栈指针SP

汇编语言

指令格式

以mov为例，格式为mov d,s

作用为将源操作数s复制到目的操作数d所指位置

mov eax, ebx：将寄存器ebx的值复制到eax
mov eax, 5：将立即数5复制到寄存器eax
mov eax, dword ptr [地址]：将指定内存地址所指的双字值复制到寄存器eax
mov byte ptr [地址], 5：将立即数5复制到指定内存地址所指的一字节中

其中内存的读写长度：

dword ptr：双字，32bit
word ptr：单字，16bit
byte ptr：字节，8bit

x86的常用寄存器

以E开头的寄存器长为32bit
前四个寄存器存储未知数据，结尾为X，称为通用寄存器
下面两个寄存器处理字符串等，结尾为I，称为变址寄存器
EBP为堆栈基指针
ESP为堆栈顶指针
前四个若只想使用16bit，可以去掉前面的E
前四个若只想使用8bit，对应的寄存器为AH, AL，BCD同理

常用x86汇编指令

算术运算

除法这里，s为除数，被除数被隐含寻址于edx:eax中

这里的意思是两个寄存器拼接，因为在进行除法操作时，被除数会扩展其位数到原来的两倍

逻辑运算

AT&T与Intel格式

选择语句

无条件转移指令

jmp 地址 将PC无条件的转移到对应地址，或寄存器指向的地址

jmp 标号无条件转移到对应标号指明位置，标号的格式名字:

条件转移指令

一般要和cmp a,b一起使用，先比较，若上面的比较成立则执行下面的跳转指令

循环语句

条件转移指令实现

由四个部分组成：

循环前初始化
是否直接跳过循环
循环主体
是否继续循环

loop指令实现

loop默认用ecx作循环计数器

loop对应的还有某些loopx指令，如loopnz表示当ecx!=0且ZF==0时继续循环

函数调用

call与ret

函数调用：call 函数名

函数返回：ret

通常用函数名作为函数起始地址的标号

注：Intel里PC被叫做IP

执行call后，会将IP内的值（call的下一条）压入栈顶
然后进入调用的函数，将IP新值设为被调用函数第一条指令
调用函数栈帧出栈，ret后将IP旧值写回

访问栈帧

在虚拟内存用户区中，用户栈的栈底位于高地址，栈顶位于低地址，所以一般表示栈是倒着画的，且x86系统中，默认以四字节为栈的操作单位

寄存器ebp指向当前栈帧的底部

寄存器esp指向当前栈帧的顶部

指令：

push：入栈操作，先让esp减4，再将数据压入
pop：出栈操作，栈顶元素出栈，写入指定寄存器，再让esp加4
mov：访问栈其他位置，结合ebp和esp指针访问数据，可以用sub/add指令修改栈顶指针esp的值

切换栈帧

当call一个新函数时，我们进入对应栈帧：

首先call指令会将IP旧值（call的下一句）压栈保存，并设置IP新值为被调用函数的第一条指令
push ebp把上一层函数的ebp旧值压入栈，这个地址就是返回地址
然后move ebp, esp，把ebp寄存器指向到esp的位置（新函数地址）
接下来用mov等压入数据，执行操作
前两个操作可以用一个enter指令代替
函数返回后，新的栈帧消失，栈顶此时就是原来的ebp旧值和IP旧值

首先执行mov esp, ebp，将esp指向当前栈帧底部
然后执行pop ebp，将esp所指元素出栈，写入寄存器ebp，实现让ebp重新指回上一层函数栈帧基址
上面两个命令等价于leave指令，即从函数栈帧顶部找到IP旧值，出栈并恢复IP寄存器

传参与返回值

一个栈帧内可能包含的内容：

最底部：上一层栈帧基址（ebp、旧值）
最顶部：返回地址（当前函数栈帧除外）
靠近底部：用于存储局部变量，越靠前定义的越靠近栈顶
靠近顶部：用于存储形式变量，参数列表中越靠前的参数越靠近栈顶
中间：可能有未使用区域没因为栈帧大小要求16字节整数倍

CISC和RISC

CISC：复杂指令集，一条指令完成一个复杂的基本功能，用于x86架构

如果有复杂指令用纯硬件实现困难，可以采用存储程序的设计思想，由一个比较通用的电路配合存储部件完成一条指令，即形成微程序

RISC：精简指令集，一条指令完成一个基本动作，多条指令组合完成一个复杂的基本功能，用于arm架构