7.0 x86指令系统和一些后期展望

7.0 x86指令系统和一些后期展望

之前开过ARM指令系统，这一章我们就快快过一下X86指令系统，之后我们回到之前的总线和异常中断章节，预估第八章是总线，第九章异常中断，之后第十章IO接口，第十一章程序设计和简要的STM32F407之后，我们就完结撒花进入STM32实战keil5和cubeMX篇，再进入PID控制和RTOS，之后回openmv精进算法和开新章节神经网络深度学习。

之后还会开一个单独的章节算法与数据结构和leetcode对应的训练，以及背板手操SPI总线，UART通讯，卡尔曼滤波调参

以及电路仿真设计，还有PCB设计章节，和之前的全栈以及vibe小练习。

机器指令和汇编指令

计算机真正执行的不是 MOV AX, BX 这种英文形式，而是二进制机器码。

比如：MOV AX, BX

最后会被汇编器翻译成一串机器码。

汇编指令：给人看的符号形式机器指令：给 CPU 看的二进制形式

例如：MOV AH, [BX + DI + 50H]

人看起来能理解，但 CPU 不能直接理解这个文本。

汇编器会把它翻译成类似：8A 61 50H

这种机器码，CPU 才能执行。

一、8086/8088 指令编码

这一节讲的是：8086/8088 的一条指令在机器码里是怎么组成的。

8086/8088 采用变长指令格式（ARM采用risc固定4字节32位）

8086/8088 的指令不是固定长度的。

课本说：一条指令可以由 1 ~ 6 个字节组成

这叫 变长指令格式。为什么要变长？

因为不同指令需要表达的信息不一样。比如：CLC

这种指令很简单，只要告诉 CPU“清进位标志 CF”即可，可能一个字节就够。

但下面这种指令复杂得多：

MOV AH, [BX + DI + 50H]

它要告诉 CPU：要执行 MOV 目标是 AH源操作数在内存中内存地址由 BX + DI + 50H 形成操作数是字节 信息多了，机器码自然更长。

所以 8086/8088 用变长指令，可以做到：

简单指令短一些，节省空间复杂指令长一些，表达更多信息

二、一条双操作数指令大致由 4 部分组成

课本用双操作数指令举例，机器码格式大致包括：

操作特征部分 寻址特征部分位移量部分 立即数部分

可以理解成：这条指令要干什么？ 操作数在哪里？地址要不要加位移量？ 有没有直接给出的常数？

三、操作特征部分：OP code、d、w

操作特征部分通常在指令编码的第一个字节中。

它包含：OP code d w

1. OP code：操作码

OP code 就是 operation code，操作码。

它说明：这条指令要做什么操作比如：MOV ADD SUB OR

这些不同操作，对应不同的操作码。

所以 OP code 是机器指令的核心。 OP code 决定“干什么”

2. d 字段：数据传送方向

d 是 direction，方向位。很多双操作数指令有两个操作数：

MOV 目的, 源 ADD 目的, 源 SUB 目的, 源

在机器码里，常有一个操作数由 reg 字段指定，另一个操作数由 mod 和 r/m 字段指定。

那问题来了：到底谁是源操作数，谁是目的操作数？这就由 d 字段决定。

课本说：d = 1：目的操作数由 reg 字段确定 d = 0：源操作数由 reg 字段确定

d = 1：reg 是目的d = 0：reg 是源

如果机器码表示的是：

reg 字段 = AHr/m 字段 = [BX+DI+50H]

当：d = 1

意思就是：MOV AH, [BX+DI+50H]

因为 reg 指定的 AH 是目的操作数。

当：d = 0

意思就可能变成：MOV [BX+DI+50H], AH

因为 reg 指定的 AH 是源操作数。

所以 d 位主要解决：数据从哪儿来，到哪儿去

3. w 字段：字节操作还是字操作

w 是 word 的意思，用来说明操作数宽度。

w = 1：字操作，16 位w = 0：字节操作，8 位 例如：MOV AX, BX

AX、BX 是 16 位寄存器，所以是字操作：w = 1

而：MOV AL, BL AL、BL 是 8 位寄存器，所以是字节操作：w = 0

这个非常重要，因为同样的 reg 编码，在 w 不同时表示的寄存器也不同。

七、寻址特征部分：mod、reg、r/m

第二个字节通常包含：mod reg r/m

它们合起来告诉 CPU：

操作数在哪里怎么计算内存地址用哪个寄存器

八、mod 字段：寄存器还是内存？有没有位移量？

mod 字段有 2 位。

mod  |  含义
00  |  存储器寻址，无位移量
01  |  存储器寻址，有 8 位位移量
10  |  存储器寻址，有 16 位位移量
11  |  寄存器寻址，无位移量

简单说：

mod = 11：操作数在寄存器里mod ≠ 11：操作数在内存里

如果操作数在内存里，mod 还要说明有没有位移量：

mod = 00：没有位移量mod = 01：有 8 位位移量mod = 10：有 16 位位移量

位移量就是地址公式里额外加上的常数，比如：

[BX + DI + 50H]

这里的：50H就是位移量。

九、reg 字段：指定寄存器

reg 字段有 3 位，可以表示 8 种寄存器。

但它具体表示哪个寄存器，要看 w。课本表 4.2：

注意这个表很重要。比如：

reg = 100 如果：w = 1

它表示：SP

如果：w = 0

它表示：AH

所以不要只看 reg 三位，还要结合 w。

十、r/m 字段：寄存器或内存地址形式

r/m 也有 3 位。它受 mod 控制。

如果： mod = 11

那么 r/m 表示寄存器，规则和 reg 类似。

如果： mod ≠ 11

那么 r/m 表示内存操作数的有效地址 EA 怎么计算。

十一、有效地址 EA 是什么？

EA 是 Effective Address，有效地址。

它指的是：段内偏移地址

不是最终物理地址。比如：

MOV AX, [BX + SI + 100H]

其中：EA = BX + SI + 100H

如果默认段寄存器是 DS，那么物理地址是：DS × 10H + EA

所以：EA 是偏移地址 物理地址 = 段基址 + EA

十二、r/m 和 mod 组合出的内存地址形式

当 mod ≠ 11，也就是内存寻址时，r/m 和 mod 组合决定 EA 公式。

先看没有位移量的情况：

如果 mod=01，就是这些公式再加 8 位位移量：

[BX + SI + disp8][BX + DI + disp8][BP + SI + disp8]...

如果 mod=10，就是加 16 位位移量：

[BX + SI + disp16][BX + DI + disp16][BP + SI + disp16]...

特别注意：mod=00, r/m=110

不是 [BP]，而是 直接寻址。

也就是指令后面直接给出一个 16 位偏移地址。

而：

mod=01, r/m=110mod=10, r/m=110

才表示：

[BP + disp8][BP + disp16]

这个很容易考。

十三、8086 双操作数指令不能两个操作数都在内存

课本说 IBM PC 规定：

双操作数指令中，至少有一个操作数在寄存器中两个操作数不能同时在存储器中

比如：MOV AX, [1000H]

可以，因为一个操作数 AX 在寄存器里。

MOV [2000H], AX也可以，因为 AX 在寄存器里。

但：MOV [2000H], [1000H]

不可以，因为两个操作数都在内存里。

CPU 一般不能直接“内存到内存”传送，通常要通过寄存器中转：

MOV AX, [1000H] MOV [2000H], AX

这点后面写汇编非常重要。

十四、位移量部分

位移量 displacement 是有效地址的一部分。

比如：MOV AH, [BX + DI + 50H]

这里：EA = BX + DI + 50H

其中：50H就是位移量。

位移量是否存在，由 mod 和 r/m 决定。

如果 mod=01：有 8 位位移量

如果 mod=10：有 16 位位移量

如果 mod=00：通常没有位移量

但有一个特殊情况：mod=00, r/m=110

此时使用直接寻址，指令后面有一个 16 位地址。

十五、立即数部分

立即数 immediate 是直接写在指令里的常数。

比如：MOV AX, 1234H

其中：1234H就是立即数。

立即数一般放在机器码最后，可以是 1 个字节，也可以是 2 个字节。

注意小端存放：MOV AX, 1234H

立即数在机器码里通常按：34H 12H存放。

低字节在前，高字节在后。

十六、例 ：MOV AH, [BX + DI + 50H]课本给的例子是：

MOV AH, [BX + DI + 50H]

1. 先看操作

这是 MOV 指令。含义：把内存单元中的一个字节送到 AH

为什么是字节？因为 AH 是 8 位寄存器。

所以：w = 0

2. 方向 d

目标是 AH。AH 是由 reg 字段指定的。

所以：d = 1 表示 reg 字段指定目的操作数。

3. reg 字段

AH 在表 4.2 中，当 w=0 时： AH 对应 reg = 100

4. 内存地址 [BX + DI + 50H]

有效地址：EA = BX + DI + 50H [BX + DI] 对应r/m = 001

有 8 位位移量 50H，所以：mod = 01

5. 拼机器码

课本给出：OP code = 100010 d = 1 w = 0

第一字节：10001010B = 8AH

第二字节：mod = 01 reg = 100 r/m = 001

合起来：01100001B = 61H

位移量：50H

所以机器码是：8A 61 50H

不用一开始就能开始完整编码，但要看懂：

8A：说明 MOV、方向、字节/字61：说明 AH 和 [BX+DI+disp8]50：位移量

十七、段超越前缀 Prefix

正常情况下，内存寻址有默认段寄存器。

比如：MOV AX, [BX] 默认用：DS

也就是：DS:[BX]

但有时候你想不用默认 DS，而是强制用 ES、CS、SS 等，就要使用段超越前缀。

比如：MOV AX, ES:[BX]

意思是：从 ES 段中偏移地址 BX 的位置取一个字送入 AX

1. 段前缀编码

课本给出的段前缀格式是：001 sreg 110

其中 sreg 表示段寄存器：

sreg  |  段寄存器
00  |  ES
01  |  CS
10  |  SS
11  |  DS

所以常见段超越前缀机器码是：

段寄存器  |  前缀机器码
ES  |  26H
CS  |  2EH
SS  |  36H
DS  |  3EH

2. 例 4.2：MOV AX, ES:[BX]

指令：MOV AX, ES:[BX] 如果没有 ES:，默认是：MOV AX, [BX]

也就是从 DS 段取。

但这里用了 ES 段超越，所以机器码前面要加 ES 前缀：26H

后面的：MOV AX, [BX]

对应机器码：8B 07H

所以整条指令机器码是：

26 8B 07H

这里：26：ES 段超越前缀 8B 07：MOV AX, [BX]

十八、4.1.2：指令执行时间

这一节讲：一条指令执行到底要花多少时间。

一条指令的执行时间由几个阶段组成：

取指令 取操作数 执行指令 传送结果

但是 IBM PC 采用预取指令方式，所以取指令时间和执行时间可能重叠。

因此通常估算时重点看：基本执行时间 取/存操作数时间计算有效地址 EA 的时间

十九、不同指令执行时间差别很大

比如：ADD 寄存器到寄存器：3 个时钟周期MOV 寄存器到寄存器：2 个时钟周期I MUL 整数乘法：128 ~ 154 个时钟周期I DIV 整数除法：165 ~ 184 个时钟周期条件转移不转移：4 个时钟周期条件转移发生转移：16 个时钟周期

这说明：加法、传送很快 乘法、除法很慢跳转是否发生也会影响时间

这和现代 CPU 也类似：加法很便宜，除法很贵，分支会影响流水线。

二十、同一条指令，不同寻址方式时间也不同

这里 EA 不是地址，而是：计算有效地址所需时间 为什么寄存器到寄存器最快？

因为操作数都在 CPU 内部，不用访问内存。

为什么内存相关慢？因为要通过总线访问存储器。

所以后面写汇编时，一个基本优化思想是：

能用寄存器就尽量用寄存器 减少内存访问

二十一、EA 计算也要花时间

表 4.6 列出不同寻址方式计算 EA 的时间。

大致趋势是：直接寻址：6 寄存器间接：5寄存器相对：9 基址变址：7~8 相对基址变址：11~12

为什么复杂寻址更慢？因为 CPU 要多做加法。比如：[BX]

EA 只等于 BX。

而：[BX + DI + 100H]

EA 要算：BX + DI + 100H

二十二、5MHz 时钟下怎么换算时间？

假设时钟频率是 5MHz。周期时间：1 / 5MHz = 0.2 μs

如果一条指令需要 3 个时钟周期：t = 3 × 0.2 = 0.6 μs

如果：ADD 存储器到寄存器 时间 = 9 + EA

假设 EA = 12：总周期 = 21时间 = 21 × 0.2 = 4.2 μs

所以同样是 ADD：ADD AX, BX

可能只要 0.6 μs。而：ADD AX, [BX + DI + 100H]就可能慢很多。