计算机系统第五章： LC-3结构

ISA

ISA是软件命令与硬件执行体之间的接口，
ISA定义了软件编程所需要的必要而完整的描述，
ISA叫instruction Set Architecture 指令集。
ISA给出了内存组织方式、寄存器组、指令集（操作码、数据类型、寻址模式等）

内存组织

LC-3可寻址空间大小为2^16（之前说过MAR是16bit的），寻址基本单位是16位（MDR是16bit）

寄存器

LC-3和大多数机器一样提供了临时存储空间，他们的访问速度是一个周期（内存访问速度大于一个周期）。临时存储空间的实现方式最常见就是寄存器。
LC-3有8个通用寄存器，每个寄存器存储单位是一个“字”，在LC-3里就是16bit。
Register的特性和memory是一样的：具有记忆特性和独立寻址（标识就是R0-R7）

指令

操作码占4bit，表示可以有16个指令。
指令可分为三类：运算、数据迁移、控制
运算类指令负责处理信息，数据迁移类指令负责在内存、寄存器之间以及输入输出设备之间转移信息，控制类指令负责改变执行的顺序。

寻址模式

是定义操作数位置（或来源）的一种机制。有5种寻址模式：

立即数寻址模式，来源于指令

寄存器寻址模式

内存——相对寻址模式

内存——间接寻址模式

内存——基址寻址模式

条件码

LC-3具有三个位寄存器，每当8个通用寄存器中任意一个被修改或写入，三个bit位就会发生对应的变化（N Z P清0或置1），其中NZP位分别表示负、零、正。

操作指令

操作指令是处理数据的指令，其中运算指令是典型的操作指令。

NOT指令（1001）

特点：唯一的单操作数指令。NOT指令对目标操作数和源操作数都是寄存器寻址模式
作用：对16位源操作码进行按位取反，并将结果存入到目标寄存器。
汇编代码示例：
NOT R1 R2 //将R2进行NOT运算存到R1

ADD指令（0001）

特点：双操作码指令。ADD指令对目标操作数是寄存器寻址模式，
bit[5]=0，则说明对两个源操作数都是寄存器寻址模式；
bit[5]=1，第一个操作数是寄存器寻址模式，第二个操作数是立即数模式。
作用：ADD指令执行2个操作数的补码加法
汇编代码示例：
ADD R1, R2, R3 // R2+R3结果存入R1.
ADD R1, R2, #5 //R2内容+5结果存入R1

特点：同ADD。
作用：将2个源操作数按位与相加，结果存入目标寄存器。
汇编代码示例：
AND R1, R2, R3 // R3 AND R2 store in R1.
AND R1, R2, #3 //就是与0011按位与

数据迁移类指令
第五章只讨论内存和寄存器之间的数据迁移。
数据迁移类指令有7种：LD、LDR、LDI、ST、STR、STI、LEA

PC相对寻址

LD（0010）和ST（0011）
都是PC相对寻址模式。指令种bit[8:0]代表的是相对当前PC的偏移值。
计算方法：

先把bit[8:0]内容16位扩展（符号扩展），然后和PC（已增量，就是PC+1，因为PC在Fetch节拍就已经加一，地址计算节拍在Fetch后边）相加。比如当前PC=x4018，立即数x1AF，相加为x3FC8=x4019+x1AF

如果bit[8:0]易计算，可以直接化为10进制去相加。
作用： LD是将相对应内存单元的内容存入目的寄存器中。 ST是将目标寄存器的内容存入相对应内存单元
注意：PC相对寻址的范围为-255～256
操作原理：
LD：将已增量的PC与IR[8:0]相加，得出结果装入MAR；读取相对应内存单元内容装入MDR；将MDR内容存入目的寄存器。
ST：将已增量的PC和IR[8:0]相加，得出结果装入MAR；将目的寄存器内容装入MDR；将MDR内容存入到相对应内存单元。
汇编代码示例：
LD R2，x1F // 当前PC+1+x1F。
LD R2，#2 //当前PC+1+2

间接寻址

LDI（1010）和STI（1011）都是间接寻址模式。
首先采用和PC相对寻址一样的方法算出一个地方，只不过这个地址存储的不是要提取的内容，该地址存储的是下一个地址，而下一个地址才存储了要读取的内容（就像找到一个线索，这个线索是下一个线索，而下一个线索才有答案）
特点：这种方法可以寻址的范围是任意位置，因为你只要在PC寻址范围内的内存单元存储随意一个地址，就可以飞过去了。
作用：将地中地的内存单元内容存储到目标寄存器（LDI）或将目标寄存器的内容存储到地中地内存单元
汇编代码：LDI R2，x1F //当前PC+1+x1F得出另一个地址，然后保存到那个地址内容的内存单元中
操作原理：已增量的PC与IR[8:0]相加，并将结果存入MAR寄存器，然后将相对应地址的内容读入MDR，然后将MDR内容装入MAR，再次读取相对应的的内存单元内容，装入MDR，然后MDR内容装入到目标寄存器。（LDI）

基址偏移寻址

LDR（0110）和STR（0111）采用基址+偏移的寻址模式。
既由6-bit的偏移量符号扩展和基址寄存器相加而来。6-bit补码可表示范围为-32～+31，同样可以去任何范围。
汇编代码表示：LDR R1，R2，#1. LDR R1，R2，x001
操作原理：将基址寄存器内容与IR[5:0]相加，结果装入MAR中，其次将相对应内存内容装入MDR，随后装入目标寄存器中。

立即数寻址

LEA（1110）采用立即数寻址，LEA是唯一一个使用该寻址模式的，有效地址装载指令。
作用：对寄存器做初始化，既向寄存器装入一个地址值。LEA是唯一一个无需访问内存的load指令。
汇编代码表示 ： LEA R5,#-3 就是装入当前PC+1 -3的地址。

控制指令

控制指令是那些能够改变执行顺序的指令，有条件跳转、无条件跳转、子程序、TRAO、中断返回。

条件跳转指令

BR（0000），其中bit[11:9]对应n\z\p位（注意不要写错顺序），所有会对寄存器有操作的指令都会设置这三个条件码。
作用：条件跳转指令通过对条件码的判断来决定是否更改指令流（既改变指令执行顺序）。在执行节拍，处理器将检测某个条件码是否为1.N、Z、P分别表示负零正，如果三个全为0则不检查任何条件码。如果位1，则看上一条指令对寄存器的操作满不满足条件。（三个条件码全为1则是无条件跳转）
汇编代码如下：BRnp x185 // 如果满足np条件则跳转到PC+1+x185
BRnp x300A //满足条件跳转到x300A

循环控制的两种方法：

计数器方法：首先将计数器初始化为n，然后每一次循环将计数器减一然后判断计数器是否为0，如果不是则继续BR到循环入口继续循环，若是则跳出loop进行下一条指令操作。
哨兵计数法：事先不知道要循环多少次。比如你要循环一个地址x3000-x300A，可以在x300A放个哨兵比如要计算正数，你可以放-1.要计算数字，你可以放‘#’等。然后一样这样去判断。

JMP指令

JMP（1100）。条件跳转指令跳转的范围有限，可计算范围是PC寄存器和偏移量的求和。范围是当前跳转指令前后+256～-255.所以就有了JMP指令。
作用：JMP指令就是将寄存器（bit[8:6]）内容装入PC寄存器。

TRAP 指令

TRAP（1111）这里只做简单介绍。指令改变PC内容，使其指向操作系统所在的空间内部。
trap x20
trap x21 显示器字符输出
trap x23 读取键盘输入
trap x25 终止程序

作业部分

5.2 可寻址宽度
如果内存可寻址宽度为64bit ，则MDR为64bit，与MAR没有关系。（可寻址宽度为64bit是指MDR，可寻址空间是MAR，可寻址能力是MDR，可寻址宽度是nmgcz？）

5.10 BR与JSR相似与区别（其实我答上了但是不是很好）
BR和JSR相似之处就是他们都会改变PC的值，然后下一步就会跳转到PC值表示的地址去。
不同之处在于，BR不改变R7，既跳转之后不会返回。JSR在跳转之前会改变R7值（pc+1），然后跳转到‘函数体’内，执行完毕后执行RET指令，既把R7值装入PC，然后跳转。

5.13 关于指令的基本问题（其实是我忘了呜呜，太久没做了）

R2内容转到R3. ADD R3，R2，#0 （我傻逼用了LDR，LDR是基址偏移，内存内容转寄存器里）
三条指令表是减法。取反、加一、ADD
不影响任何寄存器内容情况下，基于R1内容设置条件码： ADD R1，R1，#0或者AND R1，R1，#-1
设置条件码的意思是设置上一条指令的目标寄存器内容
能不能通过一组指令，使得最后条件码为N=1，Z=1，P=0呢？
答：不能，因为N=1，Z=1，P=0就要求寄存器的内容既是负数又是零，不存在这样的内容。

5.17 关于访问内存次数
FETCH节拍就只有一次访问内存，就是将PC内容的地址存到MAR之后，从内存读取指令到MDR，只有这一次。
所以LD有2次访问内存，FETCH和执行节拍将内存的内容装入MDR；
LDI有3次访问内存，FETCH和进行了两次执行节拍？？（目前我只能想到这么解释了）
LEA只有1次访问内存，就是FETCH节拍，然后执行地址计算，就存入到目标寄存器了，没有访问内存。

5.26 trapvector左移
TRAP指令提供128个操作系统服务程序，通过trapvector左移5位直接形成这些服务程序入口，则一个服务程序占有内存2^5=32字节，128个4kb
（不太清楚，等学到trap再回来解释）

5.40 局部逻辑
当指令不是BR等控制指令时，通过译码器输出有一个是为1，然后WE=1(可写状态），D为寄存器内容。当BR指令的时候，WE为0，为不可写状态。记住。