Quartz 4

【总结笔记】指令系统与寻址方式

【总结笔记】指令系统与寻址方式

本部分涵盖：RISC vs CISC辨识、MIPS三大指令格式、硬件参数推导、常见寻址方式、相对寻址与PC更新、大小端判断、标志位分析(ZF/SF/OF/CF)、条件转移指令、乘法溢出、数据通路。

一、RISC vs CISC 快速辨识

特征RISCCISC
指令字长定长（如MIPS固定32位）变长（x86为1~15字节）
访存指令只有Load/Store访存大多数指令可直接访存
寄存器多（≥32个通用寄存器）少
控制器硬布线控制器（流水线友好）微程序控制器
典型代表ARM、MIPS、RISC-V、PowerPCx86（Intel/AMD）、IBM 370

判别题眼：看机器码字节数是否固定

  • 固定（每条指令16进制字符数相同）→ RISC
  • 不固定（各条指令字节数不同）→ CISC

x86变长原因：单字节操作码（如55=push ebp）、多字节寻址特征字节（ModR/M）和偏移量按需拼接。

二、硬件参数推导（必考配对关系）

硬件参数对应题干信息计算方式
ALU宽度计算机字长（机器字长）直接等于字长
IR位数指令字长直接等于指令字长
MAR位数地址总线条数等于地址线位数
MDR位数数据总线条数（或存储字长）等于数据线位数；若未指明则等于机器字长
可寻址空间地址线条数 + 编址方式
通用寄存器个数寄存器字段位数

MDR陷阱：若题干明确说”数据总线8位”，MDR=8位，而非机器字长！

三、MIPS三大指令格式（定长32位）

R型（Register，寄存器-寄存器运算）

[ 000000(6位) | rs(源1) | rt(源2) | rd(目标) | op1/funct(功能码) ]
  • 操作：
  • 用途：算术逻辑运算（加减与或异或）、寄存器间接跳转（jr rs）

I型（Immediate，立即数/访存/分支）

[ op2(6位) | rs(源) | rt(目标/源) | imm(立即数/偏移量) ]
  • 立即数运算：
  • 访存Load/Store：，然后
  • 条件分支：比较rs和rt，满足则

J型（Jump，长距离无条件跳转）

[ op3(6位) | target（长地址，剩余所有位） ]
  • 操作：（高位保持当前PC高位不变）

操作码扩展（前缀码原理）

  • 高位6位操作码总编码空间： 种
  • R型占用 000000 一种，内部靠功能码扩展
  • I型与J型最多可用： 种

四、常见寻址方式速查

寻址方式有效地址EA访存次数核心用途
立即寻址A即为操作数（无EA）0次常数操作，最快
直接寻址EA = A1次访问固定地址全局变量
间接寻址EA = (A)2次（一级）通过地址访问地址
寄存器寻址OPR = (Ri)，在寄存器0次最常用，最快
寄存器间接EA = (Ri)1次指针访问
基址寻址EA = (BR) + A1次多道程序/动态重定位
变址寻址EA = (IX) + A1次数组遍历、循环
相对寻址EA = (PC) + A1次分支跳转（PC相对）

区别：基址寻址中基址寄存器BR由OS设定不变，偏移A可变；变址寻址中IX可变，A固定（数组首地址）

五、PC相对寻址（重点！）

关键公式：

PC的值：CPU取指后自动 ，所以执行时PC已指向下一条指令！

偏移量计算（已知源地址和目标地址求偏移量）：

补码存储：若偏移量为负数（向前跳），需转换为补码存入指令

编址方式判断（看PC自增量）：

  • 16位指令，PC+2 → 按字节编址
  • 32位指令，PC+4 → 按字节编址
  • 16位指令，PC+1 → 按字编址

六、大小端判断

方式定义规律
大端（Big-Endian）高位字节存低地址内存中顺序与人类书写顺序相同
小端（Little-Endian）低位字节存低地址内存中顺序与书写顺序相反（x86、ARM常见）

快速判别（以 0x12345678 存在地址 1000H）：

地址：  1000H  1001H  1002H  1003H
大端：   12     34     56     78   （高字节在低地址，顺序相同）
小端：   78     56     34     12   （低字节在低地址，顺序相反）

机器码判别法：看偏移量字节在机器码中的顺序。若数值 0xFFFFFFD6 在机器码中排列为 D6 FF FF FF（低位在前）→ 小端。

七、标志位分析（ZF / SF / OF / CF）

标志位含义触发条件
ZF（零标志）结果为0运算结果全部为0时 ZF=1
SF（符号标志）结果符号结果最高位为1时 SF=1（即负数）
OF（溢出标志）有符号溢出
CF（进位/借位）无符号进借位加法：最高位进位；减法：

CF的计算（cmp A,B 题型固定三步法）

cmp A, B 底层执行 ，置标志位但不存结果：

  1. 写出无符号机器码（注意 unsigned 0-1 = 2^n-1，不是-1！）
  2. 减法转补码加法：
  3. 判定CF：
    • 直观法：（无符号比较）→ CF=1； → CF=0
    • 硬件法：加法器最高位 → CF=1； → CF=0

条件转移的标志位规则：

比较无符号（用CF/ZF）有符号（用SF/OF）
ZF=1ZF=1
CF=1SF⊕OF=1
CF=1 或 ZF=1(SF⊕OF=1) 或 ZF=1
CF=0 且 ZF=0(SF⊕OF=0) 且 ZF=0

八、条件转移指令

指令类型说明常见指令
条件转移检查标志位，满足才跳jle、jl、jge、jg、je/jz、jne/jnz、jc、jo
无条件跳转必然跳jmp
子程序调用保存返回地址+跳转call
子程序返回从栈弹出PCret
中断返回iret

条件转移范围（位偏移量，按字节编址，指令长2字节）：

九、乘法溢出判定

位有符号乘法结果为 位，若截断保存为 位：

判定条件：高 位不是低 位符号位的”纯复制”时，溢出。

  • 即：高 位不全为 0 且不全为 1 时 → OF=1（溢出）

代数真值法（考场最直观）：

  1. 计算真实结果的十进制值
  2. 看是否落在 位有符号数范围（如16位：）
  3. 超出范围 → 溢出

十、二维数组地址计算

数组 type a[M][N]，首地址 Base，元素大小 字节：

  • （总行数）：不参与元素地址计算，只是循环上限
  • （每行列数）：决定行大小，参与计算

十一、立即数的零扩展 vs 符号扩展

场景应用扩展方式原因
有符号算术运算（加减偏移量）符号扩展保持真值不变（负数补1，正数补0）
逻辑操作（AND、OR、按位测试）零扩展高位必须为0，不影响按位结果
访存基址寻址偏移量符号扩展需支持负偏移量（向低地址访问）
无符号数操作零扩展无符号数无符号位概念

十二、高频易错汇总

错误正确做法
MDR宽度默认等于机器字长题干明确数据线位数时，MDR=数据线位数
I/J型操作码数算成64R型占了000000，I/J最多 种
相对寻址的基准PC是当前指令地址基准PC是下一条指令地址（当前地址+指令长度）
减法中减法：，进位反向才是借位
unsigned 0-1 = -1unsigned 0-1 = （最大无符号数，下溢回绕）
乘法16位结果直接判定溢出算真实十进制，超出才是溢出
M参与数组地址计算数组a[M][N]中M不参与地址计算，只有N参与
大端=低字节在低地址大端=高字节在低地址（与书写顺序相同）

Graph View