初窥计算机指令

发表于 2021-12-30 分类于计算机组成原理本文字数： 1.8k 阅读时长 ≈ 2 分钟

初窥计算机指令

在软硬件接口中，CPU 帮我们做了什么事？

从硬件角度来看，CPU就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。
从软件上来看，CPU 就是一个执行各种计算机指令的逻辑机器。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）。

不同的 CPU 能够听懂的语言不太一样。比如，我们的个人电脑用的是 Intel 的 CPU，苹果手机用的是 ARM 的 CPU。这两者能听懂的语言就不太一样。类似这样两种 CPU 各自支持的语言，就是两组不同的计算机指令集，英文叫 Instruction Set。
一个计算机程序实际上是由成千上万条指令组成的，但是CPU里不能一直放着所有指令，所以计算机程序平时是存储在存储器中的，这种程序指令存储在存储器里面的计算机，我们就叫作存储程序型计算机（Stored-program Computer）。

从编译到汇编，代码怎么变成机器码？

平时编写的代码，到底是怎么变成一条条计算机指令，最后被 CPU 执行的呢？我们拿一小段真实的 C 语言程序来看看。


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

要让这段程序在一个 Linux 操作系统上跑起来，我们需要把整个程序翻译成一个汇编语言（ASM，Assembly Language）的程序，这个过程我们一般叫编译（Compile）成汇编代码。

正对汇编代码，我们可以再用汇编器（Assember）翻译成机器码（Machine Code）。这些机器码由“0”和“1”组成的机器语言表示。这一条条机器码，就是一条条的计算机指令。这样一串串的 16 进制数字，就是我们 CPU 能够真正认识的计算机指令。

在一个 Linux 操作系统上，我们可以简单地使用 gcc 和 objdump 这样两条命令，把对应的汇编代码和机器码都打印出来。

可以看到，左边对应的是一条条机器码，右边有一系列的 push、mov、add、pop 等，这些就是对应的汇编代码。

机器码和汇编代码

从高级语言到汇编代码，再到机器码，就是一个日常开发程序，最终变成了CPU 可以执行的计算机指令的过程。

常见指令

算数类指令。我们的加减乘除，在 CPU 层面，都会变成一条条算术类指令。
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。
逻辑类指令。逻辑上的与或非，都是这一类指令。
条件分支类指令。比如“if/else”
无条件条转指令。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。

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常见指令

MIPS 指令集

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指令一般用来算术和逻辑操作，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。

我以一个简单的加法算术指令 add t0,s1, $s2, 为例，

add $t0,$s2,$s1

对应的 MIPS 指令里 opcode 是 0，rs 代表第一个寄存器 s1 的地址是 17，rt 代表第二个寄存器 s2 的地址是 18，rd 代表目标的临时寄存器 t0 的地址，是 8。因为不是位移操作，所以位移量是 0。把这些数字拼在一起，就变成了一个 MIPS 的加法指令。

为了读起来方便，我们一般把对应的二进制数，用 16 进制表示出来。在这里，也就是 0X02324020。这个数字也就是这条指令对应的机器码。