ISA指令集

今天的内容来源于《计算机系统概论》的第4章，介绍的指令是作者根据x86指令简化设计的一个自称为LC-3（Little Computer-3 edition）的指令集。

ISA对于程序员来说是可编程的最底层的层次了，其本质就是一堆机器指令，如0001 001 010 0 00 011。

一、指令的结构

指令是计算机可执行的最小单位，格式由操作数和操作码组成。

以最简单的一个运算指令--取反操作，来看一个指令的格式。

bit[15:12]=0001表示NOT操作，bit[11:9]表示目标寄存器，用于存计算后的操作码，bit[8:6]表示来源寄存器，用于从来源寄存器取出操作数做运算。bit[5:0]设计者固定为11111并无实际意义。

NOT指令执行过程：从来源寄存器取出操作数，做NOT操作，并把结果存入目标寄存器

二、指令的执行

指令的具体执行过程是在CPU的控制单元的控制信号下，一步一步执行的。大多数计算机的指令执行都有这六步，取指令->译码->地址计算->取操作数->执行->存放结果，一次完整的执行叫一个指令周期。

每个步骤的执行通常至少要一个机器周期（时钟周期），涉及从内存读取比较慢可能需要好几个机器周期（时钟周期）。

1. 取指令：根据PC（程序计数器）的地址，取得内存中该地址的指令。
2. 译码：根据指令bit[15:12]决定后续的控制命令
3. 地址计算：如果指令是存取内存的操作，这个步骤需要计算地址
4. 取操作数：从指令的来源取操作数。
5. 执行：做操作，比如：加减乘除的算术操作或者“与”“或”“非”的逻辑操作
6. 存放结果：把计算结果放到目标处