计算机组成原理（4.2）—— IA-32指令系统（CSIC）

• 前一篇文章分析了指令系统（ISA）的设计方法，这里以IA-32指令系统为例进行分析
• 前文链接：计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计

---

一、IA-32架构基础

• 泛指：基于英特尔IA-32架构的32位微处理器
• 特点：向下兼容
• 并行化程度：流水线
• 处理器位数：32
• 三种工作方式：
  1. 保护方式（包含一种子工作方式：虚拟8086方式）
  2. 实地址方式
  3. 系统管理方式
• 指令集类型：CISC（IA-32是CISC类型的指令集的典型代表）
• 寄存器配置
  1. 8个32位通用寄存器：
     • 用于存储数据、参与算数逻辑运算、给出存储单元地址
     • 变长寄存器：可以用作32位寄存器，也可拆为16位和8位寄存器使用
     • 详见：IA-32汇编语言笔记（2）—— IA32处理器及其寄存器
  2. 6个段寄存器
     • 段寄存器存放着当前使用的逻辑地址中的段号（实模式下是段值；保护模式下是段选择子），用于获得段起始地址
     • 利用段寄存器存储段起始地址，就好像在连续的内存地址空间中打了几个标签，这样我们就可以把内存划分为若干逻辑段，可以实现代码和数据的隔离，也有利于实现程序的重定位。
     • 任一个段起始地址加上段内偏移量（有效地址），都可以访问到整个内存空间。因此各个逻辑段之间可以有重叠；甚至可以所有段寄存器都写成一样的值，不进行分段（整个内存为一个段），这样写起程序来更方便
     • 我个人认为，段寄存器的存在就是为了方便程序员写程序，因为其实只要有一个寄存器存段号就可以实现访存，更多的段寄存器只是为了在逻辑上进行一些划分。
     • 段寄存这部分涉及到IA-32架构下的寻址的具体物理过程，后面再具体总结
     • 可以参考我以前的两篇文章：
       • IA-32汇编语言笔记（4）—— 段寄存器 & 寻址方式
       • 我理解的物理地址、虚拟地址、逻辑地址
  3. 1个标志寄存器
     • 标志寄存器是IA-32和MIPS的一大区别，上一篇文章已经说明过：计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计
     • 还可参考：IA-32汇编语言笔记（3）—— 简单传送、加减指令 & 标志寄存器

二、操作数类型和表示方式

1. 操作数类型

2. 操作数表示方式

三、指令格式

1. 指令字长度：变长指令字，长1~15字节
2. 操作码长度：变长操作码编码，长1~2字节
3. 一条指令由两部分组成：前缀段+指令段，其中前缀段可以没有

1. 前缀段

• 前缀段位于指令操作码（指令段）之前，但不是每条指令都有
• 前缀段格式
  
• 四种前缀类型
  

2. 指令段

• 指令段：指出操作类型、给出操作数或操作数地址
• 指令段格式：
  
• 各字段说明
  

四、寻址方式

1. 操作数的来源

2. 指令中必须给出的信息

3. 寻址方式

• IA-32寻址方式
  
• 对比上篇文章 计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计 中给出的一般设计规则，IA-32中除了立即寻址、寄存器寻址等，提供了很丰富的偏移寻址方式
• 存储单元的有效地址（即段内偏移地址）可以由三部分内容相加构成（可省去任意两部分）
  1. 一个32位基地址寄存器
  2. 一个可乘上比例因子1/2/4/8的32位变址寄存器
  3. 一个8/16/32位位移量

• 这印证了上篇文章指出的：一般RISC机器不提供自动变址寻址，并将变址和基址寻址统一成一种 “偏移寻址方式”

• 详见：IA-32汇编语言笔记（4）—— 段寄存器 & 寻址方式

4. 寻址过程

1. 实方式下的寻址过程
   
2. 保护方式寻址过程
   

5. 示例

• 现在要存储如下操作数

  int x；
  float a[100];  
  short b[4][4];  
  char c;  
  double d[10];
  

• 内存中存储情况
  

• 各个变量使用的寻址方式
  

五、MMX指令技术