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1 指令格式
零地址、一地址、二地址、三地址指令的格式：
| 操作码 | 地址码 1 | 地址码 2 | 地址码 3 |
|---|---|---|---|
| OP | A1 | A2 | A3 |
1.1 定长操作码
定长操作码指的是操作码的位数不变，n 位操作码的指令系统最大可以有 2n 条指令。
1.2 变长操作码
变长操作码指的是操作码的位数不固定，相应的地址码根据操作码长度的不同而发生变化。
假设指令字长为 16 位，有四种指令格式（零地址、一地址、二地址、三地址指令），操作码和地址码均占 4 位，则一种扩展操作码方案：
| 指令 | 操作码 | 地址码 1 | 地址码 2 | 地址码 3 |
|---|---|---|---|---|
| 15 条三地址指令 | 0000 | A1 | A2 | A3 |
| . | 0001 | A1 | A2 | A3 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1110 | A1 | A2 | A3 |
| 15 条二地址指令 | 1111 | 0000 | A2 | A3 |
| . | 1111 | 0001 | A2 | A3 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1111 | 1110 | A2 | A3 |
| 15 条一地址指令 | 1111 | 1111 | 0000 | A3 |
| . | 1111 | 1111 | 0001 | A3 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1111 | 1111 | 1110 | A3 |
| 16 条零地址指令 | 1111 | 1111 | 1111 | 0000 |
| . | 1111 | 1111 | 1111 | 0001 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1111 | 1111 | 1111 | 1111 |
另一种扩展操作码方案：
| 指令 | 操作码 | 地址码 1 | 地址码 2 | 地址码 3 |
|---|---|---|---|---|
| 15 条三地址指令 | 0000 | A1 | A2 | A3 |
| . | 0001 | A1 | A2 | A3 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1110 | A1 | A2 | A3 |
| 12 条二地址指令 | 1111 | 0000 | A2 | A3 |
| . | 1111 | 0001 | A2 | A3 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1111 | 1011 | A2 | A3 |
| 63 条一地址指令 | 1111 | 1100 | 0000 | A3 |
| . | 1111 | 1100 | 0001 | A3 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1111 | 1100 | 1111 | A3 |
| . | 1111 | 1101 | 0000 | A3 |
| . | 1111 | 1101 | 0001 | A3 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1111 | 1111 | 1110 | A3 |
| 16 条零地址指令 | 1111 | 1111 | 1111 | 0000 |
| . | 1111 | 1111 | 1111 | 0001 |
| . | ... | ... | ... | ... |
| . | 1111 | 1111 | 1111 | 1111 |
1.3 相关例题
【例 1】一个计算机系统采用 32 为指令字长，地址码为 12 位，若定义了 250 条二地址指令，则还可以定义多少条单地址指令？
【解】二地址指令的操作码占据 32-12-12=8 位，因此二地址指令最多可定义 28=256 条指令，但现在只定义了 250 条指令，剩余 6 位分配给一地址指令，可以有 6 * 212 条指令，即 24K 条指令。
【例 2】某计算机按字节编址，指令字长固定且只有两种指令格式，其中三地址指令 29 条，二地址指令 107 条，每个地址字段为 6 位，则指令字长至少为多少？
【解】由题目可得：指令字长固定且只有两种指令格式，分别为三地址指令和二地址指令。
三地址指令 29 条，24 < 29 < 25，因此三地址指令的操作码至少有 5 位。现假设三地址指令只有 5 位操作码，那么三地址指令最多可以有 25=32 条指令，现只有 29 条，说明剩余 3 位分配给了一地址指令。至此，三地址指令已占用 5+3 * 6=23 位。
二地址能实现的指令数为：3 * 26=192 > 107，显然是够用的，所以操作码 5 位完全够用。因此指令字长至少为 23 位，又因为按字节编址，所以指令字长至少为 24 位。
2 寻址方式
2.1 指令寻址
| 寻址方式 | 执行细节 | 备注 |
|---|---|---|
| 顺序寻址 | 执行本条指令时：(PC)+1 -> PC；然后开始执行下一条指令 | “1” 表示一个指令字长（对于 CISC，指令字长是不固定的；对于 RISC，指令字长是固定的） |
| 跳跃寻址（绝对跳转） | 执行本条指令时：(PC)+1 -> PC；执行本条指令后：add -> PC；然后开始执行目标指令 | add 为绝对地址，“1” 表示一个指令字长 |
| 跳跃寻址（相对跳转） | 执行本条指令时：(PC)+1 -> PC；执行本条指令后：(PC)+offset -> PC；然后开始执行目标指令 | offset 为相对偏移量，用补码表示；“1” 表示一个指令字长 |
【注 1】跳跃寻址（相对跳转）从执行本条指令时到执行本条指令后的 PC 总变化：(PC)+offset+1 -> PC。此处很容易犯错！！！
【注 2】有的题目，相对偏移量 offset 表示的是相对偏移指令数，而不是相对偏移地址！若题目已暗示了是相对偏移指令数，那么若指令字长为 16 位（按字节编址），则根据：(PC)+offset+1 -> PC，可得转移目标地址为(PC)+offset*2+2；若指令字长为 8 位（按字节编址），则根据：(PC)+offset+1 -> PC，可得转移目标地址为(PC)+offset*1+1
【注 3】计算跳跃寻址（相对跳转）的目标地址时，需要将偏移量从补码转化为原码再计算（因为内存地址是无符号数）。此处很容易犯错！！！我感觉相对寻址好像也有这个问题要注意
2.2 数据寻址
- imm：立即数
- add：内存地址
- R：寄存器
- PC：程序计数器（x86 称为 IP）
- BR：基址寄存器，内容由操作系统决定
- IX：变址寄存器，内容由用户（程序员）指定
- SP：堆栈（指针）寄存器
- 括号：表示内存地址内容，或寄存器内容
设有效地址为 8 位，寄存器、PC、存储器字长为 16 位，则有：
| 寻址方式 | 有效地址 EA | 访存次数 | 寻址范围 | 访问地址 |
|---|---|---|---|---|
| 隐含寻址 | 程序指定（一般为 R） | 0 | ~ | ~ |
| 立即寻址 | imm | 0 | ~ | ~ |
| 直接寻址 | add | 1 | 28 | 0~28-1 |
| 一次间接寻址 | (add) | 2 | 216 | 0~216-1 |
| 二次间接寻址 | ((add)) | 3 | 216 | 0~216-1 |
| 寄存器寻址 | R | 0 | 216 | 0~216-1 |
| 寄存器一次间接寻址 | (R) | 1 | 216 | 0~216-1 |
| 寄存器二次间接寻址 | ((R)) | 2 | 216 | 0~216-1 |
| 相对寻址 | (PC) + add | 1 | 28 | (PC)-(27)+1~(PC)+(27-1)+1 |
| 基址寻址 | (BR) + add | 1 | 28 | (BR)-(27)~(BR)+(27-1) |
| 基址间接寻址 | ((BR) + add) | 2 | 216 | 0~216-1 |
| 变址寻址 | (IX) + add | 1 | 216 | 0~216-1 |
| 变址间接寻址（变址间址） | ((IX) + add) | 2 | 216 | 0~216-1 |
| 间接变址寻址（间址变址） | (IX) + (add) | 2 | 216 | 0~216-1 |
| 硬堆栈寻址（寄存器作堆栈） | (SP) 和 R | 0 | ~ | ~ |
| 软堆栈寻址（内存作堆栈） | (SP) 和 R | 1 | ~ | ~ |
【注】相对寻址中，add 为相对指令数。此处默认一个指令字长为 8 位，按字节编址，所以访问地址范围为(PC)-(27)+1~(PC)+(27-1)+1；若一个指令字长为 16 位，按字节编址，则应写成(PC)-(27)*2+2~(PC)+(27-1)*2+2。
补充：堆栈寻址的执行细节
- 堆栈顶在小地址方向
| 指令 | 执行流 |
|---|---|
| push | (SP)-1 -> SP, (R) -> MSP |
| pop | (MSP) -> R, (SP)+1 -> SP |
- 堆栈顶在大地址方向
| 指令 | 执行流 |
|---|---|
| push | (SP)+1 -> SP, (R) -> MSP |
| pop | (MSP) -> R, (SP)-1 -> SP |
【注】堆栈指针始终指向栈顶元素！！！
补充：指令中的操作数地址
- 大端方式：指令中给出的地址是操作数最高有效字节（MSB）的地址
- 小端方式：指令中给出的地址是操作数最低有效字节（LSB）的地址
2.3 相关例题
【例 1】设相对寻址的转移指令占 3 个字节，第一字节为操作码，第二，三字节为相对位移量（补码表示）。而且数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式。每当 CPU 从存储器取出一个字节时，即自动完成 (PC)+1→PC。
（1）若 PC 当前值为 240（十进制），要求转移到 290（十进制），则转移指令的第二、三字节的机器代码是什么？
（2）若 PC 当前值为 240（十进制），要求转移到 200（十进制），则转移指令的第二、三字节的机器代码是什么？
【解】执行转移指令时，PC = 240+3 = 243，指令执行结束后：
（1）转移到 290，相对偏移量为 290-243=47，转成补码为 002FH。
（2）转移到 200，相对偏移量为 200-243=-43，转成补码为 FFD5H。
【例 2】某计算机采用大端方式，按字节编址。某指令中操作数的机器数为 1234 FF00H，该操作数采用基址寻址方式，形式地址（用补码表示）为 FF12H，基址寄存器的内容为 F000 0000H， 则该操作数的 LSB（最低有效字节）所在的地址是什么？
【解】因为 FF12H 为负数补码，所以需转化为原码 80EEH，然后用基址相减该值得到地址：F000 0000H - 80EEH = EFFF 7F12H。因为是大端存储，所以 LSB 所在地址为 EFFF 7F15H。
3 汇编指令
3.0 Intel 格式和 AT&T 格式
| Intel 格式 | AT&T 格式 |
|---|---|
| 第一个：目的操作数；第二个：源操作数 | 第一个：源操作数；第二个：目的操作数 |
| byte ptr、word ptr、dword ptr | b、w、l |
[edx+eax*2+8] | 8(%edx, %eax, 2) |
【注】在汇编指令中，word（字）均表示 16 位！
3.1 数据传送指令
- mov 指令：不能从内存到内存！
- push 指令
- pop 指令
3.2 算术和逻辑指令
- add 指令
- sub 指令
- inc 指令
- dec 指令
- imul 指令：带符号乘法，可以两个或三个操作数，运算结果可能溢出
- idiv 指令：带符号除法，只有一个操作数，商送 eax，余数送 edx
- and 指令
- or 指令
- not 指令：位翻转
- xor 指令
- neg 指令：取反
- shl/shr 指令
3.3 控制流指令
- jmp 指令
- call/ret 指令
- int/iret 指令
- test/cmp 指令
【标志位】
- ZF：零标志（无符号 / 带符号）：计算结果为 0 时，ZF = 1
- OF：溢出标志（带符号）：
OF = 最高位（即符号位）进/借位 ⊕ 次高位（即数值的最高位）进/借位 - SF：符号标志（带符号）：
SF = 符号位 - CF：进 / 借位（carry）标志（无符号）：最高位向更高位进 / 借位时，CF = 1
- 无符号数和带符号数：
| 条件指令 | 含义 | 标志位 | 备注 |
|---|---|---|---|
je | 相等转移 | ZF=1 | a-b=0 |
jne | 不相等转移 | ZF=0 | a-b≠0 |
- 无符号数：
| 条件指令 | 含义 | 标志位 | 备注 |
|---|---|---|---|
ja | 大于转移 | CF=0 且 ZF=0 | a-b>0 且 a-b 没有借位 |
jb | 小于转移 | CF=1 | a-b<0，说明 a-b 不够减，一定借位 |
jae | 大于或等于转移 | CF=0 且 ZF=0 | a-b>=0 且 a-b 没有借位 |
jbe | 小于或等于转移 | CF=1 或 ZF=1 | a-b=0，或 a-b<0 有借位 |
- 带符号数：
| 条件指令 | 含义 | 标志位 | 备注 |
|---|---|---|---|
jg | 大于转移 | SF=OF 且 ZF=0 | SF=OF 时表示的是大于 |
jl | 小于转移 | SF≠OF 且 ZF=0 | SF≠OF 时表示的是小于 |
jge | 大于或等于转移 | SF=OF | SF=OF 时表示的是大于 |
jle | 小于或等于转移 | SF≠OF 或 ZF=1 | SF≠OF 时表示的是小于 |
补充：使用 SF 和 OF 判断大小关系
以cmp ah, bh为例，a-b 测试：
| OF | OF 说明 | SF | SF 说明 | 结果 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 没有溢出，逻辑上真正结果的正负 = 实际结果的正负 | 1 | 实际结果为负 | 逻辑上真正的结果为负，(ah)<(bh) |
| 1 | 有溢出，逻辑上真正结果的正负≠实际结果的正负 | 1 | 实际结果为负 | 逻辑上真正的结果为非负，(ah)≥(bh) |
| 1 | 有溢出，逻辑上真正结果的正负≠实际结果的正负 | 0 | 实际结果为非负 | 逻辑上真正的结果为负，(ah)<(bh) |
| 0 | 没有溢出，逻辑上真正结果的正负 = 实际结果的正负 | 0 | 实际结果为非负 | 逻辑上真正的结果为非负，(ah)≥(bh) |
3.4 相关例题
【例】某机器有一个标志寄存器，其中有进位 / 借位标志 CF、零标志 ZF、符号标志 SF 和溢出标志 OF，条件转移指令 bgt（无符号整数比较大于时转移）的转移条件是？
【解】判断无符号整数 A>B 成立，满足的条件是结果不等于 0，即零标志 ZF=0，并且两个数相减时， A>B 是不会造成借位的，即进位 / 借位标志 CF=0，写成逻辑表达式就是(CF+ZF)'=1。