LC-3

LC-3简介

• 极简指令集： LC-3只有16条基本指令，但它“麻雀虽小，五脏俱全”，包含了数据处理、控制流、内存访问和I/O操作。
• 统一的指令格式： LC-3指令是固定长度的（16位），并且有规整的字段布局，这极大地简化了控制逻辑的设计。这是理解CPU工作的关键。
• 少量的寄存器组： 8个通用寄存器（R0-R7），以及几个特殊寄存器（如PC， PSR）。这让你立刻理解为何编译器需要做寄存器分配，以及为什么会有“寄存器溢出”到内存的概念。

指令集架构（ISA）

类别	LC-3示例	核心作用	系统视角
数据处理	ADD, AND, NOT	在寄存器上执行算术和逻辑运算。	ALU的驱动力。指令的操作码直接映射到ALU的控制信号。
数据传送	LD, ST, LDI, STI	在内存和寄存器之间移动数据。	揭示内存访问机制。理解地址计算、加载/存储延迟。LDI/STI（间接寻址）让你理解“指针”的硬件本质。
控制流	BR (条件分支) JMP/RET (无条件跳转)	改变程序执行流。	程序计数器（PC）的控制器。BR依赖于条件码（NZP），这直接对应了RISC-V的beq bne等指令。RET是子程序返回的硬件原语。
子程序调用	JSR/JSRR	调用函数，保存返回地址。	链接（Linking）机制的雏形。将返回地址存入R7（类似RISC-V的ra寄存器），实现了函数调用的最核心契约。

核心概念

这是LC-3（以及所有现代CPU）的心跳。理解了它，就理解了CPU如何工作。

1. 取指：

   • 动作： 将程序计数器（PC） 指向的内存地址的内容读入指令寄存器（IR）。
   • 硬件： 内存总线，PC寄存器。
   • 意义： PC是“我们执行到哪了”的状态。这一步是自动的，由时钟驱动。

2. 译码：

   • 动作： 解析IR中的指令，识别操作码（这是什么指令？）和操作数（操作哪些寄存器？内存地址是什么？）。
   • 硬件： 控制逻辑 的开始。指令位被输入到一个巨大的组合逻辑中，这个逻辑会根据操作码生成控制信号。

3. 执行：

   • 动作： 根据译码阶段产生的控制信号，操作数据通路。
   • 硬件： 这是所有部件协同工作的舞台！
     • ALU： 执行计算。
     • 寄存器文件： 被读取或写入。
     • 内存： 被加载或存储。
     • PC： 被更新为下一条指令的地址（PC+1）或分支/跳转的目标地址。

对系统开发者的关键启示

1. 控制逻辑是“灵魂”： LC-3的微架构图清晰地展示了，指令的每一位都像一只手指，拨动着数据通路上的开关（多路选择器）和控制线（ALU操作、寄存器写使能）。这让你直观地看到，你写的C代码编译成的机器码，是如何直接配置和驱动硬件电路的。

2. 中断与异常： LC-3引入了中断的概念。虽然其机制比RISC-V的CSR寄存器组简单得多，但它包含了所有必要环节：

   • 保存现场： 将PC和PSR压入栈。
   • 跳转到处理程序： 加载中断服务例程的地址。
   • 恢复现场： 执行RTI指令返回。
   • 启示： 这是理解操作系统接管硬件、实现多任务和系统调用的第一步。

3. 内存映射I/O： LC-3的键盘和显示器都是通过特定的内存地址（如0xFE00）来访问的。向这个地址“存储”就是在输出，从这个地址“加载”就是在读输入。

   • 启示： 这消除了I/O操作的神秘感。它让你明白，printf底层最终不过是一次到特定内存地址的ST指令。这是理解驱动程序和硬件交互的基础。