指令

指令，即是由处理器指令集架构定义的处理器的独立操作，这个操作一般是运算、存储、读取等。一个指令在CPU中真正的存在形式是高低电平，也可以理解为由01序列组成的机器码。汇编指令只是指令的一种表示形式而已，其实质是一样的。

计算机执行一条指令的主要步骤包括如下四步：1. 取址，2. 译码，3. 执行，4. 回写

格式

一般来说，指令的格式如下：

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　　指令名 操作数1, 操作数2, 操作数3

不过，也有如下的指令格式，一般用于存取类指令：

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　　指令名 操作数1, 操作数3(操作数2)

操作数，即指令操作所作用的实体，可以是寄存器、立即数或标签，每个指令都有其固定的对操作数形式的要求。而标签最终会由汇编器转换为立即数。所谓立即数，即在指令中设定好的常数，可以直接参与运算，一般长度为16位二进制。而标签，用于使程序更简单清晰。标签用于表示一个地址，以供指令来引用。一般用于表示一个数据存取的地址（类似于数组名）、或者一个程序跳转的地址（类似于函数名，或者C语言中goto的跳转目标）。

注意：在MARS中，跳转指令只能使用标签来进行跳转，不能使用立即数！

机器码指令

CPU 可以直接识别机器码指令，从而去完成相应的操作。在我们学习的MIPS汇编中，所有的指令长度均为32位，即4字节，或者说1字。同时，从硬件的角度来讲，每条指令的执行周期大多为1个CPU周期。机器码就是CPU最基本的一种操作，也是原子操作，不可被打断。

所有指令长度均相同，这是精简指令集（RISC）的特征，这种指令集包括MIPS和手机中常用的ARM等；与之相对的是复杂指令集（CISC），包括PC中常用的x86架构，这种指令集的特点是指令数目多、指令长度并不完全相同。

指令格式

32位的机器码需要一定的格式才能被理解。一般来说，在MIPS指令集中，指令分为三种格式：R型、I型和J型。

  • R型指令

R型指令的操作数最多，一般用于运算指令。例如add、sub、sll等。其格式如下（左侧为高位，右侧为低位）：
iamge

  • I型指令

I型指令的特点是有16位的立即数（偏移也是一样的道理）。因此，I型指令一般用于addi、subi、ori等与立即数相运算的指令（这里需要注意：在写汇编语言的时候，需要使用负号来标记负数，而不要和机器码一样认为首位的1就代表负数），或beq、bgtz等比较跳转指令，因为它们要让两个寄存器的值相比并让PC偏移offset这么多，刚好利用了全部的字段。还有存取指令，例如sw、lw，它们在使用时需要对地址指定一个偏移值，也会用到立即数字段。

image

  • J型指令

常见的为j和jal。他们需要直接跳转至某个地址，而非利用当前的PC值加上偏移量计算出新的地址，因此需要的位数较多。

严格来说，并非所有的指令都严格遵守上面三种格式，有的如eret、syscall指令一样没有操作数；有的如jalr指令一样某些字段被固定为某个值。

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·  op：也称opcode、操作码，用于标识指令的功能。CPU需要通过这个字段来识别这是一条什么指令。不过，由于op只有6位，不足以表示所有的MIPS指令，因此在R型指令中，有func字段来辅助它的功能。

·  func: 用于辅助op来识别指令。

·  rs、rt、rd： 通用寄存器的代号，并不特指某一寄存器。范围是$0~$31，用机器码表示就是00000~11111。

·  shamt：移位值，用于移位指令。

·  offset：地址偏移量。

·  immediate：立即数。

·  address：跳转目标地址，用于跳转指令。

扩展指令

扩展指令的功能主要是简化程序。汇编器将一些常用、但标准指令集不提供的功能封装为一条指令；或者改变现有指令的操作数的形式或个数，使其以新的形式出现。需要注意的是，它们只是形式上是一条新指令，而实际上，在汇编器将其汇编之后，还是使用标准指令来实现的。

伪指令

伪指令（Directives）是用来指导汇编器如何处理程序的语句，有点类似于其他语言中的预处理命令。伪指令不是指令，它并不会被编译为机器码，但他却能影响其他指令的汇编结果

  • .data：用于预先存储数据的伪指令的开始标志。
  • .text：程序代码指令开始的标志。
  • .word：以字为单位存储数据。
  • .asciiz：以字节为单位存储字符串。（.asciiz会以’\0’作为结尾，作为字符串形式输出）
  • .space：申请若干个字节的未初始化的内存空间。