# 指令和程序

<author name="虞嘉乐" title="21 计算机 4 班 "/>

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[前去观看第八集](https://bilibili.com/BV1EW411u7th?p=8)

观前提醒：在本篇文章中，我们所用到的 RAM 依旧是上一篇文章中用到的那个。
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## 更多指令

### 加法的对立面：SUB

SUB 是减法，与 ADD(加法)指令相同,也要用两个寄存器

### 跳跳跳：JUMP

如果你想改变指令顺序，或者跳过一些指令，那 JUMP 就是你的不二之选。JUMP 的作用是让程序跳转到新的位置。

JUMP 的底层实现方式：用指令后 4 位代表内存地址的值覆盖掉指令地址寄存器中的值(指令地址寄存器可以理解为记录当前内存地址的值的记事本，每完成一次指令，指令地址寄存器都会加一)

#### JUMP 的好兄弟们

JUMP 的其中一个好兄弟，叫 JUMP_NEGATIVE。它只在 ALU 的负数标志为真时才进行跳转。

除此之外，还有 JUMO IF EQUAL(如果相等)、JUMP IF GREATER(如果更大)

### 请停下来：HALT

HALT 指令是停止，如果没有它的存在，电脑会崩掉，快说谢谢 HALT 哥。

**HALT 很重要，能区分指令和数据，还能避免 CPU 不停运行下去后，去处理 STORE_A13 之后不是操作码的 0 而崩掉**

## 指令的综合运用

### 无限的循环~ 循环~ 循环~

在运行之前，我们要先把内存中的 3 和 14 两个数字都改成 1。

首先，把 LOAD_A 14 和 LOAD_B 15 中的两个 1 分别存入寄存器 A 和 B 中，然后 ADD B A 把寄存器 B 和 A 相加，结果放在寄存器 A 中。之后，使用 ATORE_A 13 的指令，把结果存在内存地址 13 中。接下来，就是本次主角的隆重登场——JUMP2！这条指令的意思是把指令地址寄存器的值改成 2，那么，我们就在一次的回到了 ADD B A，我们又一次的将 A 和 B 的值相加，然后又一次的遇到了 JUMP2。就这样，不断地循环且无法触发 HALT，这就是无限循环。

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### 如何利用 JUMP 的兄弟逃出循环

这一次，我们进行了微小的更改，比如说将 A 的值改成了 11，B 改成了 5，用 SUB 代替了 ADD，用到了 JUMP_NEGATIVE 指令，具体的更改如下图

![](%E5%BE%AE%E4%BF%A1%E6%88%AA%E5%9B%BE_20221011205418.png)

现在，让我们跟着 CPU 走一遍。到了 SUB B A，用 A 减 B 等于 6，将结果存在 A 中。因为 6 不符合 JUMP_NEGATIVE 的跳转条件，故进行下一条指令。下一条是 JUMP2，那就再次跳回 SUB，再用 A 减去 B 结果为 1，依旧不符合，继续重复。这一次有了改变，A 减 B 结果是-4，符合了 JUMP_NEG 5 的跳转条件，接下来直接跳转到第五条指令 ADD B A，将 A B 的结果相加并存到寄存器 A 中，再根据下一条的指令，把 A 的值存在内存地址 13 中。最后，碰到了 HALT。现在，我们的程序终于可以休息了。

## 现代如何使用更多的指令

我们在这里假设的 CPU 都很基础，只有 4 位，只能操作 16 个地址。而现代的 CPU 有两种策略来增加能使用的指令。

### 最粗暴的方法 —— 更多的位

第一种方法十分简单粗暴，直接用更多的位来代表指令，现代常有的是 32 位和 64 位。

### 麻烦的技巧型 —— 可变指令长度

举个栗子，比如某个 CPU 用 8 位长度的操作码，如果看到 HALT 指令，HALT 不需要额外数据，那么会马上执行；看到 JUMP，它得知道位置值，这个值在 JUMP 后面，这叫**立即值**

这样设计，指令可以是任意长度，但会让读取阶段麻烦一些。

当然，这里要说明一下，我们拿来距离的 CPU 和指令集都是假设的，是为了展示核心原理。

最后再来展示一下我们的小美人 —— 4004 处理器

![](%E5%BE%AE%E4%BF%A1%E6%88%AA%E5%9B%BE_20221011212254.png)

## 接下来

下一章，我们会讲到 CPU 更多的功能