考研笔记

指令的操作类型

前三节讲的是指令怎么编码，这一节讲编码出来的那些操作码分别代表什么。

内容本身是一张分类表，容易读成背诵材料。但它有一个更有用的读法：这张表就是 CPU 数据通路必须提供的功能清单。 每一类指令都对应通路上一组必须存在的部件和连线——这个反推能力是第 5 章数据通路题的起手式，所以本节最后会把这层对应关系摆出来。

机制

五大类

类别典型指令干什么要求通路提供什么
数据传送MOV LOAD STORE PUSH POP把数据从一处搬到另一处，内容不变寄存器↔寄存器、寄存器↔主存的通路，MAR/MDR
算术逻辑运算ADD SUB MUL DIV INC CMP AND OR NOT XOR TEST产生新值并置标志位ALU + 标志位寄存器 PSW
移位操作算术移位、逻辑移位、循环移位按位挪动移位器（可独立、可集成在 ALU 内）
转移操作JMP Jcc CALL RET TRAP/INT IRET改变指令执行顺序写 PC 的通路 + 读 PSW 的通路 + 栈操作
输入输出IN OUT与外设接口交换数据通向 I/O 端口的通路（仅独立编址）

数据传送类：搬运，不加工

传送指令的定义性特征是”内容不变”，所以它有一条重要的副作用性质：一般不影响标志位。x86 的 MOV 执行完，ZF、CF 全部保持原值——这是写指令序列时的关键依据，因为它意味着可以在 CMP 和 Jcc 之间插入 MOV 而不破坏条件。（同样性质的还有 LEA，见 4.3.1。）

LOAD / STORE 这对名字专指主存与寄存器之间的传送。在 RISC 里它们是唯一能访存的指令，别的指令一律只碰寄存器——这就是 Load/Store 结构，见 4.4.2。CISC 里没有这个限制，ADD 的操作数可以直接是主存单元。

PUSH / POP 隐含使用栈指针 SP，每次自动修改 SP。它们是零地址或一地址指令，是堆栈寻址的直接体现。

算术逻辑类：唯一会置标志位的主力

标志位（PSW 中的 OF、SF、ZF、CF）几乎全部由这一类指令产生，然后被转移类指令消费。“产生标志位”和”消费标志位”分属两类指令，中间靠 PSW 传递——这是所有条件分支的工作原理，4.3.2 全靠它。

两条特殊指令必须单列：

  • CMP A, B：做 ，只置标志位，不保存差值
  • TEST A, B：做 ，只置标志位，不保存结果

它们是”只要副作用、不要结果”的运算，专门为紧接其后的条件转移服务。

移位类：不需要 ALU 参与

三类移位（逻辑 / 算术 / 循环）的区分判据、以及移位到底由谁实现，已在 2.2.2 定点数的移位运算完整讨论。这里只重复结论：三类移位都不需要 ALU 做加减，移位部件既可以集成在 ALU 内部由 ALUop 选择，也可以独立成移位器由 SRop 控制，两种实现都真实存在。

转移类：唯一能写 PC 的指令

这一类指令的共同本质是”给 PC 装一个新值”，区别只在装什么值和要不要先把旧值存起来：

指令新 PC 从哪来保存返回地址？保存到哪
JMP 无条件转移指令的地址字段算出的 EA❌——
Jcc 条件转移同上，但先查 PSW 决定转不转❌——
CALL 子程序调用子程序入口✅栈（或专用寄存器）
RET 返回从栈弹出————
TRAP / INT 陷阱（软中断）中断向量表查出✅栈（同时保存 PSW）
IRET 中断返回从栈弹出——同时恢复 PSW

三条边界，每一条都是高频判断题：

  1. CALL 和 JMP 的唯一区别是保不保存返回地址。 转移的动作两者完全相同。
  2. TRAP/INT 比 CALL 多保存一个 PSW，并且会切换特权级。 这是它成为用户态主动进入内核态的唯一途径的原因——见 OS 1.3.3 系统调用。所以 RET 和 IRET 不能互换。
  3. TRAP 是指令、是同步的、是程序自愿的；外部中断是事件、是异步的、与当前指令无关。 两者的完整对照在 5.6 异常和中断（本地资料）。

输入输出类：存在与否取决于编址方式

IN / OUT 这类专用 I/O 指令，只在”I/O 独立编址”的机器上存在。

  • 独立编址：I/O 端口有自己的地址空间，必须用专用 I/O 指令，指令里的地址是端口号（x86 就是这种）
  • 统一编址（存储器映射 I/O）：端口占用主存地址空间的一段，普通的访存指令就能读写外设，ISA 里根本不需要 I/O 指令（MIPS 就是这种）

“没有专用 I/O 指令”不等于”不能做 I/O”，这是判断题的常见反向陷阱。完整讨论见 7.2.4 I/O 端口及其编址。

关联对照：把指令类型表读成数据通路的功能清单

第 5 章的数据通路题，起手式是从指令类型反推通路上必须有什么。这张对应表现在建立，到 5.2 就是现成的：

有这类指令通路上必须有
任何指令PC、IR、取指通路、PC+1 的加法器
LOAD/STOREMAR、MDR、地址总线与数据总线的连接
算术逻辑类ALU、两个输入端的多路选择器、PSW
移位类移位器（或 ALU 内的移位功能）
JccPSW 到控制器的通路 + 写 PC 的通路
CALL/RETSP、PC 到 MDR 的通路（把返回地址写进栈）
TRAP/中断PSW 的保存/恢复通路、中断向量的地址来源

反过来用同样成立：给一张数据通路图，图上有什么部件，就决定了它能支持哪类指令。用户的 5.1 那道”这张图能不能执行 CALL”的题，判据就是有没有一条从 PC 到 MDR 的路。

边界

“数据传送”不改变数据本身，但可能改变数据的位置和可见性。 STORE 之后主存变了、Cache 可能变脏（见 3.5.5）；PUSH 之后 SP 变了。“不改变内容”说的是被搬运的那个值，不是说没有副作用。

CMP 不是”比较大小并返回真假”。 它做的是减法并置标志位，大小关系是靠随后的 Jcc 读标志位组合判断出来的。带符号数看 SF、OF、ZF，无符号数看 CF、ZF——同一条 CMP 后面跟不同的 Jcc，判断的是不同的序关系，这一条在 4.3.2展开。

条件转移指令读标志位，但不一定由紧邻的上一条指令产生。 只要中间的指令不影响相关标志位（比如 MOV、LEA），CMP 和 Jcc 之间可以隔着别的指令。编译器优化经常这么做。

指令类型的多少是 CISC/RISC 的一条表面差别，不是本质差别。 本质差别在指令的复杂度和访存方式（见 4.4.3）。RISC 的指令条数其实不一定少，“精简”精简的是每条指令的功能。

统考不要求记忆具体某款机器的助记符表。 要求的是：给一条指令，判断它属于哪类、会不会访存、会不会改标志位、会不会改 PC。 这四问就是本节的全部考法。

对照速查

指令改标志位？访存？改 PC？
MOV 寄存器间❌❌❌
LOAD / STORE❌✅❌
PUSH / POP❌✅❌（改 SP）
ADD / SUB / AND✅看寻址方式❌
CMP / TEST✅ 只改标志位看寻址方式❌
移位类✅（CF 常被改）看寻址方式❌
JMP❌看寻址方式✅
Jcc❌（读标志位）看寻址方式✅（条件成立时）
CALL❌✅（压返回地址）✅
RET❌✅（弹返回地址）✅
TRAP / INT✅（保存并切换 PSW）✅✅
IRET✅（恢复 PSW）✅✅
判断对错
CALL 与 JMP 的区别是保存返回地址✅
RET 与 IRET 可以互换❌（IRET 还要恢复 PSW 与特权级）
CMP 会把差值写回目的操作数❌
MOV 会影响标志位❌
没有 IN/OUT 指令的机器不能做 I/O❌（统一编址用访存指令）
TRAP 是异步事件❌（是指令，同步、自愿）
RISC 的指令条数一定比 CISC 少❌（精简的是每条指令的功能）

考点

  • 五大类：数据传送、算术逻辑、移位、转移、输入输出
  • 传送类不改标志位；CMP/TEST 只改标志位不写结果
  • 算逻类产生标志位，转移类消费标志位，中间靠 PSW 传递
  • 转移类的本质是写 PC；CALL 比 JMP 多存返回地址，TRAP 比 CALL 多存 PSW 并切特权级
  • TRAP 是用户态主动进内核态的唯一途径；RET 与 IRET 不可互换
  • 专用 I/O 指令只在独立编址下存在，统一编址用普通访存指令
  • 指令类型表 ⇔ 数据通路功能清单，是第 5 章数据通路题的起手式

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