第三章程序的转换与表示

3.1 指令系统架构（ISA）

3.1.1 ISA定义

ISA（Instruction Set Architecture）：指令集体系结构

软件和硬件之间接口的完整定义

3.1.2 ISA包含的内容

内容	说明
指令集	支持的全部指令
操作数类型	支持的数据类型（如整数、浮点）
寻址方式	操作数地址的表示方法
寄存器集	可用的通用寄存器和专用寄存器
存储模型	地址空间、字节序等
中断和异常	处理机制

3.1.3 指令类型

类型	示例	功能
数据传送	mov, load, store	传送数据
算术运算	add, sub, mul, div	算术计算
逻辑运算	and, or, xor, not	逻辑运算
移位运算	shl, shr	位移操作
程序控制	jmp, jz, call, ret	控制执行流程
输入输出	in, out	与外设交互

3.2 汇编语言基础

3.2.1 常见指令格式

R型指令（寄存器操作）

格式：[opcode | rs | rt]
功能：从rs取操作数，与rt操作数运算，结果存回rs

opcode	rs	rt
4位	2位	2位

M型指令（存储器操作）

格式：[opcode | address]
功能：访问主存address地址单元

opcode	address
4位	4位

3.2.2 常用指令

指令	类型	功能	示例
mov	R	传送	mov r0, r1
add	R	加法	add r0, r1
sub	R	减法	sub r0, r1
mul	R	乘法	mul r0, r1
load	M	取数(主存→寄存器)	load r0, [10]
store	M	存数(寄存器→主存)	store [10], r0

3.3 寻址方式 ⭐⭐

3.3.1 七种寻址方式

寻址方式	操作数位置	特点	示例
立即寻址	指令中	最快，固定值	mov r0, #100
直接寻址	主存	地址在指令中	mov r0, [100]
间接寻址	主存	地址所在单元存操作数地址	mov r0, [@ptr]
寄存器寻址	寄存器	最快，通用	mov r0, r1
寄存器间接寻址	主存(寄存器存地址)	灵活	mov r0, [r1]
相对寻址	PC+偏移	与位置无关	jmp $+10
变址寻址	变址寄存器+偏移	数组访问	mov r0, [r1+8]

3.3.2 各寻址方式详解

1. 立即寻址（Immediate Addressing）

指令格式：mov r0, #100
         ↓
操作数100直接存在于指令中

优点：获取操作数最快
缺点：操作数固定，不灵活

2. 直接寻址（Direct Addressing）

指令格式：mov r0, [100]
         ↓
指令中给出主存地址100，从M[100]取操作数

优点：直观
缺点：地址固定，不灵活

3. 间接寻址（Indirect Addressing）

指令格式：mov r0, [@ptr]
         ↓
@ptr单元存操作数地址，例如@ptr=100，则从M[100]取操作数

优点：可动态修改地址
缺点：需两次访存

4. 寄存器寻址（Register Addressing）

指令格式：mov r0, r1
         ↓
操作数在r1寄存器中

优点：最快（无需访存）
缺点：寄存器数量有限

5. 寄存器间接寻址（Register Indirect Addressing）

指令格式：mov r0, [r1]
         ↓
r1存主存地址，从M[r1]取操作数

优点：灵活，可变址
缺点：需一次访存

6. 相对寻址（Relative Addressing）

指令格式：jmp $+10
         ↓
目标地址 = PC当前值 + 10

优点：与代码位置无关，可重定位
用途：分支跳转、循环

7. 变址寻址（Indexed Addressing）

指令格式：mov r0, [r1+8]
         ↓
目标地址 = r1内容 + 8

优点：方便数组/表格访问
用途：数组元素访问

3.4 指令执行过程 ⭐⭐

3.4.1 基本执行过程

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    指令执行周期                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                         │
│  ① 取指令(Fetch)    PC → MAR → M → MDR → IR          │
│           ↓                                              │
│  ② 译码(Decode)     IR.opcode → 控制单元              │
│           ↓                                              │
│  ③ PC增量           PC → PC + 1（或跳转地址）          │
│           ↓                                              │
│  ④ 取操作数         根据寻址方式获取操作数              │
│           ↓                                              │
│  ⑤ 执行(Execute)    ALU运算                           │
│           ↓                                              │
│  ⑥ 送结果           结果写入目的寄存器或主存           │
│                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

3.4.2 模型机指令执行详解

模型机规格： - 8位定长指令字 - 8个通用寄存器（R0~R7） - 16个字的主存

指令格式：

R型指令：[op(4位) | rs(2位) | rt(2位)]
M型指令：[op(4位) | addr(4位)]

操作码定义：

操作码	指令	类型	功能
0000	mov	R	R[rs] ← R[rt]
0001	add	R	R[rs] ← R[rs] + R[rt]
0010	sub	R	R[rs] ← R[rs] - R[rt]
0011	mul	R	R[rs] ← R[rs] × R[rt]
1110	load	M	R[rs] ← M[addr]
1111	store	M	M[addr] ← R[rs]

3.4.3 指令执行例题 ⭐⭐

例题：执行 z = x + y，其中x存放在主存5#单元，y在6#单元，结果z存入7#单元。

解法：

假设初始状态：
- R0, R1 为临时寄存器
- M[5] = x = 10
- M[6] = y = 20
- M[7] = z = 0

指令序列：

I1: load r0, [6]    // R[0] ← M[6]，取y到R0
    → M[6] = 20 → R0 = 20

I2: mov r1, r0      // R[1] ← R[0]，复制y到R1
    → R1 = 20

I3: load r0, [5]   // R[0] ← M[5]，取x到R0
    → M[5] = 10 → R0 = 10

I4: add r0, r1      // R[0] ← R[0] + R[1]，x+y
    → R0 = 10 + 20 = 30

I5: store [7], r0   // M[7] ← R[0]，存结果z
    → M[7] = 30

3.4.4 程序计数器和指令跳转

PC（程序计数器）的作用：
- 存放下一条要执行的指令地址
- 正常顺序执行时，每条指令后PC+1
- 遇到跳转指令时，PC被设置为目标地址

顺序型指令：PC ← PC + 1
跳转型指令：PC ← 目标地址

3.5 高级语言到机器代码的转换

3.5.1 转换流程图

源代码(.c)
    ↓ 预处理 (cpp)
预处理后的源程序(.i)
    ↓ 编译 (ccl)
汇编语言程序(.s)
    ↓ 汇编 (as)
可重定位目标文件(.o)
    ↓ 链接 (ld)
可执行目标文件

3.5.2 各阶段说明

阶段	工具	输入	输出	说明
预处理	预处理器	.c	.i	处理#include、#define
编译	编译器	.i	.s	翻译成汇编语言
汇编	汇编器	.s	.o	翻译成机器语言
链接	链接器	多个.o	可执行文件	合并、重定位

章节练习题

一、选择题

以下寻址方式中，操作数速度最快的是（） A. 立即寻址 B. 直接寻址 C. 寄存器寻址 D. 间接寻址
R型指令和M型指令的主要区别是（） A. 操作数个数不同 B. 是否有存储器访问 C. 指令长度不同 D. 功能不同
指令"load r0, [6]"的功能是（） A. R[0] ← R[6] B. R[0] ← M[6] C. M[6] ← R[0] D. M[0] ← R[6]
相对寻址方式中，转移目标地址的计算公式是（） A. PC + 偏移量 B. 基址 + 偏移量 C. 变址 + 偏移量 D. 立即数
编译阶段生成的输出文件是（） A. .c 文件 B. .i 文件 C. .s 文件 D. .o 文件

二、填空题

ISA是指______的缩写。
寻址方式中，操作数直接存在于指令中的方式是______寻址。
指令执行过程中，将PC内容送到MAR以便读取指令的阶段称为______。
指令"store [10], r0"是______型指令。
汇编阶段将______语言程序翻译成机器语言。

三、简答题

简述指令执行的基本过程。
比较七种寻址方式的特点。
解释ISA和微架构的区别。
说明从源代码到可执行文件的转换过程。

四、分析题

假设某模型机指令集如下： - load r, [addr]：R[r] ← M[addr] - store [addr], r：M[addr] ← R[r] - mov r1, r2：R[r1] ← R[r2] - add r1, r2：R[r1] ← R[r1] + R[r2]

请写出计算表达式 a = b + c 的指令序列（假设a、b、c分别存放在主存10#、11#、12#单元）

参考答案

选择题

C 2. B 3. B 4. A 5. C

填空题

指令集体系结构（Instruction Set Architecture）
立即
取指令（Fetch）
M
汇编

分析题

解：计算 a = b + c

假设使用R0作为临时寄存器

指令序列：
1. load r0, [11]    // R[0] ← M[11]，取b到R0
2. mov r1, r0       // R[1] ← R[0]，暂存b到R1
3. load r0, [12]    // R[0] ← M[12]，取c到R0
4. add r0, r1       // R[0] ← R[0] + R[1]，b+c
5. store [10], r0   // M[10] ← R[0]，存结果a

第三章 程序的转换与表示