计算机组成 -- 指令

CPU + 计算机指令

硬件的角度
- CPU是一个超大规模集成电路，通过电路实现了加法、乘法乃至各种各样的处理逻辑
软件工程师的角度
- CPU就是一个执行各种计算机指令的逻辑机器
- 计算机指令是一门CPU能听懂的语言，也称为机器语言
- 不同的CPU能够听懂的语言不太一样，两种CPU各自支持的语言，就是两组不同的计算机指令集
- 计算机程序平时是存储在存储器中，这种程序指令存储在存储器里面的计算机，叫作存储程序型计算机

代码 -> 机器码（编译 -> 汇编）

// test.c
int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    a = a + b;
}

编译（Compile）成汇编代码：把整个程序翻译成一个汇编语言（ASM，Assembly Language）的程序
汇编：针对汇编代码，用汇编器（Assembler）翻译成机器码（Machine Code）
- 机器码由0和1组成的机器语言表示，一串串的16进制数字，就是CPU能够真正认识的计算机指令

汇编代码 + 机器码

$ gcc --help
-c                       编译、汇编到目标代码，不进行链接

$ objdump --help
-d, --disassemble        Display assembler contents of executable sections
-M, --disassembler-options=OPT 将文本传递到 OPT 反汇编程序
-S, --source             Intermix source code with disassembly

$ gcc -g -c test.c
$ objdump -d -M intel -S test.o

test.o：     文件格式 elf64-x86-64

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
int main()
{
   0:    55                   	push   rbp
   1:    48 89 e5             	mov    rbp,rsp
    int a = 1;
   4:    c7 45 fc 01 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x1
    int b = 2;
   b:    c7 45 f8 02 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
    a = a + b;
  12:    8b 45 f8             	mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
  15:    01 45 fc             	add    DWORD PTR [rbp-0x4],eax
}
  18:    5d                   	pop    rbp
  19:    c3                   	ret

左边的一堆数字是机器码，右边一系列的push,mov,add,pop就是对应的汇编代码
一行C代码，可能会对应一条或多条机器码和汇编代码
汇编代码和机器码之间是一一对应的
- 汇编代码：给程序员看的机器码！！

解析指令和机器码

指令类型

指令类型	场景	示例指令	示例汇编代码	含义	注释
算术指令	加减乘除	add	`add $s1,$s2,$s3`	`$s1=$s2+$s3`	将s2和s3寄存器中的数相加后的结果放到寄存器s1中
逻辑指令	与、非	or	`or $s1,$s2,$s3`	`$s1=$s2\|$s3`	将s2和s3寄存器中的数按位取或后的结果放到寄存器s1中
数据传输指令	变量赋值、在内存读写数据	load	`load $1,10($2)`	`$s1=memroy[$s2+10]`	取s2寄存器中的数，加上10偏移量后，找到内存中的字，存入到s1寄存器中
条件分支指令	if-else	branch on equal	`beq $s1,$s2,10`	`if($s1==$s2) goto PC+4+10`	如果s1和s2寄存器内的值相等，从程序计数器往后跳10
无条件跳转指令	函数调用	jump	`j 1000`	`goto 1000`	跳转到1000这个目标地址

MIPS指令集

MIPS指令是一个32位的整数，高6位叫作操作码（opcode），代表这条指令具体是一条怎样的指令
- 剩下的26位有三种格式，分别是R、I、J
- R指令
  - 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地址
  - 如果是逻辑位操作，后面还有位移操作的位移量
  - 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
- I指令
  - 通常用在数据传输、条件分支、以及在运算时使用的并非变量而是常数的时候
  - 第三种情况：此时没有了位移量和操作码，也没有第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成一个地址值或者一个常数
- J指令
  - 跳转指令，高6位之外的26位都是一个跳转后的地址
add $t0,$s1,$s2，用十进制表示
- opcode：0
- rs代表第一个寄存器s1的地址17
- rt代表第二个寄存器s2的地址18
- rd代表目标的临时寄存器t0的地址8
- 由于不是位移操作，所以位移量是0