指令流程和中断

一、指令系统

1、什么是指令

指令是指能让计算机完成某种操作的命令。

2、什么是指令系统

指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令。

3、指令格式

指令可以分为操作码字段和地址码字段

操作码字段负责告诉计算机执行什么操作
地址码字段负责
- 存放操作数或操作数地址
- 存放运算结果的地址
- 给出后继指令地址
操作码和地址码的位数不确定，需要更具具体的指令来决定

可以根据地址码字段结构的不同，分为四地址指令、三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令。

4、寻址方式

立即寻址

所需的操作数由指令直接给出的寻址方式，称为立即寻址，如

把立即数1234H放入R1寄存器中

MOV R1, 1234H

直接寻址

地址码为操作数所在主存单元的实际地址的寻址方式，称为直接寻址，如

把地址为1234H单元中的数据放入到R1寄存器中

MOV R1, (1234H)

间接寻址

地址码部分给出的是存放操作数地址的内存单元的地址，这个地址叫做间接地址。通过间接地址来寻址的方式称为间接寻址。如

把存放在地址为1234H内存单元中的地址取出，然后再通过该地址取找到需要的立即数，然后再将该立即数放入R1寄存器中

MOV R1, ((1234H))

寄存器直接寻址

指令所需的操作数在寄存器中，按指令给出的寄存器地址去获取操作数的寻址方式，称为寄存器直接寻址，如

把R2寄存器中的数据放入R1寄存器中

MOV R1, R2

寄存器间接寻址

寄存器中存放了操作数在内存单元中的地址，通过寄存器获得立即数在内存单元中的地址，然后通过地址得到立即数的寻址方式，称为寄存器间接寻址，如

把BX寄存器中存放的数据取出，通过该数据找到内存单元中对应位置中存放的立即数

MOV R1, (R2)

自增型寄存器间接寻址

和寄存器间接寻址类似，不过在取出寄存器中存放的地址后，需要该地址的值+1，然后再放回该寄存器中，如

MOV R1, (R2)+

自减型寄存器间接寻址

和寄存器间接寻址类似，不过在取出寄存器中存放的地址时，需要将改地址-1，使用后需要将地址放回寄存器中，如

MOV R1, -(R2)

自增/自减型寄存器间接寻址的区别

自增型寄存器间接寻址在取出寄存器中存放的数据后，直接使用该数据。使用完毕后，将该数据+1后再放回寄存器中。类似于

x++

自减型寄存器间接寻址在取出寄存器中存放的数据后，先将数据-1，然后再使用。使用后将该数据放回到寄存器中。类似于

--x

变址寻址

选用专用寄存器(IX)或通用寄存器(R0)用于存放偏移地址。将寄存器中的值加上基准地址的值(D)来作为最终地址的寻址方式，称为变址寻址。

如

选用专用寄存器IX作为变址寄存器，目标地址为

EA = (IX) + D

选用通用寄存器R0作为变址寄存器，目标地址为

EA = (R0) + D

基址寻址

基址寻址和变址寻址相反，寄存器中存放的是基准地址，D中存放的是偏移地址。该寻址方式称为基址寻址。如

选用专用寄存器BR作为基址寄存器，目标地址为

EA = (BR) + D

选用通用寄存器R0作为基址寄存器，目标地址为

EA = (R0) + D

变址/基址寻址的区别

无论是变址寻址还是基址寻址，目标地址 = 基准地址 + 偏移地址 ，只不过在不同的寻址方式中，由不同的寄存器和形式地址给出。

变址寻址中，由寄存器提供偏移地址，D提供基准地址
基址寻址中，由寄存器提供基准地址，D提供偏移地址

相对寻址

相对寻址是基于基址寻址的一种寻址方式，是一种由程序计数器PC给出基准地址，D给出偏移地址的寻址方式。

堆栈寻址

操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP）作为操作数地址。

堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按“后进先出（LIFO）”原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针（SP）。

二、指令流程

1、流程中会用到的寄存器

Ri Rj：通用寄存器，用于存放源操作数或元操作数地址

C：暂存器C，用于暂存数据

D：暂存器D，用于暂存数据

MAR：地址寄存器，用于存放地址

MDR：数据寄存器，用于存放从主存读取出来的数据数据

PC：程序计数器，指向下一条指令的地址

2、指令流程的划分

由数据通路可以将指令的执行过程分为4个基本的阶段

取指令周期FT
源操作数周期ST
目的操作数周期DT
执行周期ET

3、取指令周期FT

取指令周期为指令流程的公操作。具有两个步骤，在一个时钟周期内完成。

步骤一：将主存中的指令读取，放入指令寄存器IR中

步骤二：程序计数器+1，指向下一条指令的地址

M->IR
PC+1->PC

4、源操作数周期ST

该周期主要是为了得到源操作数的值

以MOV指令为例

寄存器直接寻址 R

因为寄存器中存放的就是源操作数，所以直接取出即可

寄存器间接寻址 (R)

因为寄存器中存放的是源操作数在内存单元中的地址，所以我们需要通过寄存器，访问对应的内存单元，然后获得源操作数。

先将寄存器中的值放入地址寄存器中 Ri -> MAR
通过地址寄存器访问对应的内存单元，将单元中的值放入数据寄存器中 M->MDR ，然后通过数据寄存器中放入暂存器C中 MDR->C

自增/自减型寄存器间接寻址 (R)+/-(R)

和寄存器间接寻址类似，只不过多了一个自增/自减的步骤

自增型寄存器间接寻址在取出源操作数后，要将寄存器中存储的值+1，再放回该寄存器中

自减型寄存器间接寻址在取出寄存器中的值前，要将寄存器中存储的值-1，然后以-1后的值进行寻址操作，获取源操作数

自增型寄存器双间接寻址 @(R)+

这种寻址方式需要两次访问主存，才能获得源操作数的最终地址

先将寄存器中的值放入地址寄存器中 Ri -> MAR
通过地址寄存器访问对应的内存单元，将单元中的值放入数据寄存器中 M->MDR ，然后通过数据寄存器中放入暂存器C中

MDR->C，此时C中存放的是源操作数的地址
寄存器中存储的值+1，再放回该寄存器中 Ri+1 -> Ri
再次进行寄存器间接寻址 C -> MAR
通过地址寄存器访问对应的内存单元，将单元中的值放入数据寄存器中 M->MDR ，然后通过数据寄存器中放入暂存器C中 MDR->C

变址寻址 X(R)

变址寻址需要将寄存器中的值加上基准地址的值(D)来作为最终地址

公操作进行了 PC+1 -> PC，所以当前PC保存的是寄存地址D的值。先将基准地址取出 PC -> MAR，放入到暂存器C中

M -> MDR ->C
PC指向下一条指令的地址 PC + 1 -> PC
偏移地址+基准地址获得最终地址 C+R -> MAR
将结果放入暂存器C中 M -> MDR -> C

经过源操作数周期ST后，暂存器C中保存了源操作数的值

5、目的操作数周期DT

该步骤主要是为了找到目的操作数的地址

寄存器直接寻址 R

直接放入寄存器中，无需目的操作数地址

寄存器间接寻址 (R)

取出寄存器中存放的目的地址，将该地址放入MAR中 Rj -> MAR

自增/自减型寄存器间接寻址 (R)+/-(R)

和寄存器间接寻址类似，将地址放入了MAR中，只不过多了自增/自减的步骤

自增型寄存器双间接寻址 @(R)+

通过寄存器中存放的地址，访问主存单元 Rj -> MAR
访问后Rj寄存器中的值+1 Rj +1 -> Rj
将主存单元中的值取出，放入到地址寄存器中。 M->MDR->MAR

变址寻址 X(R)

公操作进行了 PC+1 -> PC，所以当前PC保存的是寄存地址D的值。先将基准地址取出 PC -> MAR，放入到暂存器D中

M -> MDR ->D
PC指向下一条指令的地址 PC + 1 -> PC
偏移地址+基准地址获得最终地址 D+R -> MAR

6、执行周期ET

将源操作数放入目的寄存器或目的主存单元中

寄存器直接寻址

Ri中的内容直接放入Rj中

目的间接寻址，源直接寻址

将源操作数通过数据寄存器放入主存中

目的直接寻址，源间接寻址

将暂存器C中存放的值放入目的寄存器Rj中

目的、源都为间接寻址

将暂存器C中存放的值放入数据寄存器中，通过数据寄存器放入主存单元中

公操作 PC -> MAR

程序计数器寻找下一条指令的地址

三、中断

1、什么是中断

在处理器中，中断是一个过程，即CPU在正在执行程序过程中，遇到外部/内部紧急事件需要处理，暂时中止当前程序执行转而去为事件服务，待服务完毕，再返回到暂停处（断点）继续执行原来的程序。

2、几个概念

断点

一个地址，程序在该处中断，转而取执行中断程序的地址

中断源

引起中断的信号源

中断服务程序

中断后需要去执行的程序

中断请求

中断服务程序发出的请求，请求CPU中断正在执行的程序，转而去执行该程序

中断响应

CPU做出响应，中断正在执行的程序，转而去执行中断服务程序的过程

现场保护

将中断前的现场保存起来，便于执行完中断服务程序后，可以继续执行中断前的程序

中断处理

执行中断服务程序

恢复现场

恢复到中断前的样子

中断返回

继续执行中断前正在执行的程序

3、中断流程

关中断
进入不可再次响应中断的状态，由硬件自动实现。因为接下去要保存断点，保存现场。在保存现场过程中，即使有更高级的中断源申请中断，CPU也不应该响应；否则如果现场保存不完整，在中断服务程序结束之后，也就不能正确地恢复现场并执行现行程序
保存断点，保存现场
为了在中断处理结束后能正确地返回到中断点，在响应中断时，必须把当前的程序计数器PC中的内容（即断点）保存起来
判别中断源，转入中断服务程序
在多个中断源同时请求中断的情况下，本次实际响应的只能是优先权最高的那个中断源。所以需要进一步判别中断源，并转入相应的中断服务程序入口
开中断
因为接下去就要执行中断服务程序，开中断将允许更高级中断请求得到相应，实现中断嵌套
执行中断服务程序
不同中断源的中断服务程序是不同的，实际有效的中断处理工作是在此程序段中实现的
退出中断
在退出时，又应该进入不可中断状态，即关中断，恢复现场，恢复断点，然后开中断，返回原程序执行

进入中断时执行的关中断，保存断点等操作一般是由硬件实现的，它类似于一条指令，但它与一般的指令不同，不能被编写在程序中。因此，常常称为“中断隐指令”