计算机指令

指令系统是计算机硬件的语言系统。
如果我们从软件工程师的角度来讲，CPU 就是一个执行各种计算机指令（Instruction Code）的逻辑机器。这里的计算机指令，就好比一门 CPU 能够听得懂的语言，我们也可以把它叫作机器语言（Machine Language）。

指令格式

指令由两部分构成：操作码字段、地址码字段。

• 操作码一般用OP来表示
• 地址码一般用A来表示，不同的地址码位数不同
  

操作码

• 定长操作码：规整，RISC采用定长
• 变长操作码：操作码于地址码位数可变，总和一致

地址码

根据一条指令有多少操作数地址，可将该指令称为几操作数指令。

操作数分为被操作数、操作数、操作结果三部分。

• 四地址指令：A1代表第一个操作数的地址，A2代表第二个操作数的地址，A3用来保存(A1)OP(A2)的计算结果，A4用来指出下一条指令的地址。指令可以明确的支出下一条指令的地址，但是指令长度太大，实际应用中几乎不采用这种指令格式。
• 三地址指令：A1代表第一个操作数的地址，A2代表第二个操作数的地址，A3用来保存(A1)OP(A2)的计算结果，下一条指令直接使用(PC) + 1，也就是下一条指令的地址。指令长度依然很长，执行一次指令要四次访存，取指令一次，取操作数两次，存结构一次；操作数不会被破坏。
• 二地址指令：A1代表第一个操作数的地址，A2代表第二个操作数的地址，A1用来保存(A1)OP(A2)的计算结果，下一条指令直接使用(PC) + 1，也就是下一条指令的地址。执行一次指令仍要四次访存，取指令一次，取操作两次，存结果一次；执行完指令之后，计算结果覆盖掉一个操作数。
• 一地址指令：一般出现在需要累加计算的地方，累计寄存器Acc就是用来保存计算结果的,A1代表第一个操作数的地址，Acc用来保存(Acc)OP(A1)的计算结果，下一条指令直接使用(PC) + 1，也就是下一条指令的地址。执行一次只需要访存两次，取指令一次，去操作一次；被操作数和运算结构都放在累加寄存器中，所以对于被操作数的读取和存入都不需要访存。
• 零地址指令：主要用在堆栈计算机中，参加运算的操作数从栈顶弹出，运算后结果压入堆栈中。

寻址方式

寻址分为数据寻址(data)和指令寻址(instruction)。

数据寻址

1. 隐含寻址
2. 立即寻址
3. 直接寻址
4. 间接寻址
5. 寄存器寻址
6. 寄存器间接寻址
7. 相对寻址
8. 基址寻址

指令寻址

• 指令寻址有顺序寻址和跳跃寻址两种方式。
  

解析指令和机器码

常见的指令可以分成五大类。

• 第一类是算术类指令。我们的加减乘除，在 CPU 层面，都会变成一条条算术类指令。
• 第二类是数据传输类指令。给变量赋值、在内存里读写数据，用的都是数据传输类指令。
• 第三类是逻辑类指令。逻辑上的与或非，都是这一类指令。
• 第四类是条件分支类指令。日常我们写的“if/else”，其实都是条件分支类指令。
• 最后一类是无条件跳转指令。写一些大一点的程序，我们常常需要写一些函数或者方法。在调用函数的时候，其实就是发起了一个无条件跳转指令。

下面我们来看看，汇编器是怎么把对应的汇编代码，翻译成为机器码的。

不同的 CPU 有不同的指令集，也就对应着不同的汇编语言和不同的机器码。为了方便你快速理解这个机器码的计算方式，我们选用最简单的 MIPS 指令集，来看看机器码是如何生成的。

MIPS 是一组由 MIPS 技术公司在 80 年代中期设计出来的 CPU 指令集。就在最近，MIPS 公司把整个指令集和芯片架构都完全开源了。

MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位叫操作码（Opcode），也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令，剩下的 26 位有三种格式，分别是 R、I 和 J。

R 指令是一般用来做算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的位移量，而最后的功能码，则是在前面的操作码不够的时候，扩展操作码表示对应的具体指令的。

I 指令，则通常是用在数据传输、条件分支，以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候，没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。

J 指令就是一个跳转指令，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

加法执行过程

例如使用 a = 1 + 2 。程序编译过程中，编译器通过分析代码，发现 1 和 2 是数据，于是程序运行时，内存会有个专门的区域来存放这些数据，这个区域就是「数据段」。如下图，数据 1 和 2 的区域位置：

• 数据 1 被存放到 0x100 位置；
• 数据 2 被存放到 0x104 位置；
  注意，数据和指令是分开区域存放的，存放指令区域的地方称为「正文段」。

编译器会把a = 1 + 2翻译成 4 条指令，存放到正文段中。如图，这 4 条指令被存放到了 0x200 ~ 0x20c 的区域中：

• 0x200 的内容是 load 指令将 0x100 地址中的数据 1 装入到寄存器 R0；
• 0x204 的内容是 load 指令将 0x104 地址中的数据 2 装入到寄存器 R1；
• 0x208 的内容是 add 指令将寄存器 R0 和 R1 的数据相加，并把结果存放到寄存器 R2；
• 0x20c 的内容是 store 指令将寄存器 R2 中的数据存回数据段中的 0x108 地址中，这个地址也就是变量 a 内存中的地址；
  编译完成后，具体执行程序的时候，程序计数器会被设置为 0x200 地址，然后依次执行这 4 条指令。

上面的例子中，由于是在 32 位 CPU 执行的，因此一条指令是占 32 位大小，所以你会发现每条指令间隔 4 个字节。

而数据的大小是根据你在程序中指定的变量类型，比如 int 类型的数据则占 4 个字节，char 类型的数据则占 1 个字节。