第 5 章
微處理器指令集導論
期中考的核心。 ISA 就是「CPU 聽得懂的語言」。LC-3 只有 16 個指令，全部背起來不難，難的是定址模式——同樣是「拿資料」，有四五種不同的拿法。
- ISA 是什麼
- LC-3 三類指令
- 定址模式
- 分支與迴圈
概念 01
ISA：軟硬體之間的合約
白話講
ISA 是一份合約：硬體答應「你給我這些指令，我就做這些事」；軟體答應「我只用這些指令」。
有了合約，Intel 可以換掉內部設計，你的程式還是能跑；你也可以換編譯器，CPU 照樣認得。
ISA 規定：指令集、資料型態、定址模式、暫存器、記憶體組織
在說什麼考題問「What is included in the ISA?」就答這五項。不包含：電路怎麼設計、用幾個電晶體、時脈多快——那些是微架構的事。
LC-3 三類指令 運算類 ADD, AND, NOT
資料搬移類 LD, LDI, LDR, LEA, ST, STI, STR
控制類 BR, JMP, JSR, RET, TRAP
在說什麼分類記比較快。搬移類的名字有規律：L = Load（讀進來）、S = Store（寫出去）；後面 I = Indirect、R = Register+offset、EA = Effective Address。
概念 02
定址模式：同樣是拿東西，有四種拿法
白話講
「去拿資料」可以有很多種講法：
PC 相對 (LD)＝「從我現在的位置往前數 20 格」。缺點：只能構到附近 ±256 格。
間接 (LDI)＝「往前數 20 格，那裡寫著一個地址，去那個地址拿」。可以構到整個記憶體。
基底+偏移 (LDR)＝「以這個暫存器裡的地址為基準，往前數 5 格」。跑陣列最好用。
立即 (LEA)＝「我只要地址，不要內容」。
LD R1, LABEL → R1 ← M[PC + offset] （讀一次記憶體）
LDI R1, LABEL → R1 ← M[ M[PC + offset] ] （讀兩次記憶體）
LDR R1, R2, #5 → R1 ← M[R2 + 5]
LEA R1, LABEL → R1 ← PC + offset （不讀記憶體）
在說什麼差別在讀幾次記憶體：LEA 0 次、LD 1 次、LDI 2 次。這是最常考的比較題。
為什麼需要 LDI？因為 PC 相對只能構到 ±256 個位置。要存取遠方的資料，就先在附近放一張「紙條」寫著遠方的地址，再照紙條去拿。這就是間接定址。
概念 03
分支與迴圈：用條件碼做決定
白話講
CPU 怎麼做 if 判斷？靠三個小燈泡：N（負）、Z（零）、P（正）。
每次運算完，這三個燈會依結果亮一個。然後 BR 指令去看燈：「如果 Z 亮就跳」。
if-else、for、while，全部都是用這個湊出來的。
BRz LABEL → 如果上一個結果是 0，就跳到 LABEL
BRnp LABEL → 如果是負的或正的（也就是不等於 0），就跳
BR / BRnzp → 無條件跳
在說什麼n、z、p 可以任意組合。三個都寫＝無條件跳；三個都不寫＝永遠不跳（等於 NOP）。
條件碼是「上一個寫入暫存器的指令」設定的，不是「上一個指令」。ST 之類不寫暫存器的指令不會改變 NZP。程式順序一改，BR 的判斷就可能跟著錯——這是 debug 時最難找的 bug。
考卷上會這樣寫
Write an LC-3 program that computes the sum of 12 integers stored starting at x3100.
典型結構：LEA 設基底 → 計數器設 12 → 迴圈內 LDR 讀值、ADD 累加、ADD 基底+1、ADD 計數器−1 → BRp 回迴圈。Lecture6 就是講這題。