計算機組成與設計---硬體/軟體接口---指令: 計算機的語言

名字示例注釋32個寄存器$ s0~ $ s7, $ t0~ $ t9, $ zero, $ a0~$ a3, $ v0 ~ $ v1, $ gp, $ fp, $ sp, $ra, $at寄存器用於數據的快速取.在MIPS中，只能對存放在寄存器中的數據執行算術操作，寄存器$ zero的值恆為0，寄存器$at被彙編器保留，用於處理大的常數2^30個存儲器字Memory[0], Memory[4], …Memory[4294967292]存儲器只能通過數據傳輸指令訪問。MIPS使用字節編址，所以連續的字地址相差4。存儲器用於保存數據結構、數組和溢出的寄存器

硬體設計的三原則：

2.1計算機硬體的操作

加法和減法，都是三操作數

注釋用#開頭

所有的算術運算都是這樣的形式

設計原則一：簡單源於規整

2.2 計算機硬體的操作數

寄存器的訪問速度比主存快得多

對主存儲器數據的操作要用

取數指令lw (load word)

存數指令sw (store word)。

編譯器必須儘量使用寄存器訪問變量

2.2.2常數或立即數操作數2.3有符號數和無符號數

二進位無符號整數

範圍: 0 to +2n – 1
二進位補碼表示有符號整數

2n – 1 to +2n – 1 – 1

2.4 計算機中指令的表示

指令系統對指令系統的要求：

完備性: 指令齊全，編程方便

高效性：佔內存少，運行省時

規整性：指令與運算規則統一

兼容性：新舊機指令軟體兼容

MIPS欄位：

- 指令欄位

R-型（寄存器）操作舉例

add $t0, $s1, $s2

I型（立即數指令）

立即數的算術和讀數/存數指令

地址：偏移加上rs中的基址

設計原則3：優秀的設計需要適宜的折中方案

2.5 邏輯操作

對位進行處理的指令

用於對字中的若干 「位」

打包和拆包的操作

移位操作

shamt: 移多少位

邏輯左移sll

邏輯右移srl

「與」操作

and $t0, $t1, $t2

「或」操作

按位「取反」操作

用於改變字中的一些位

MIPS 3-操作數指令NOR

2.6 決策指令

如果條件為真，跳轉到被標籤的指令執行

beq rs, rt, L1

bne rs, rt, L1

if (rs != rt)轉到標籤為L1的指令執行;

j L1

2.6.1循環

bne $s3, $s4, Else
add $s0, $s1, $s2
j Exit
Else: sub $s0, $s1, $s2
Exit: …

2.6. 2 case/switch 語句

while (save[i] == k)
i += 1;

Loop: sll $t1, $s3, 2
add $t1, $t1, $s6
lw $t0, 0($t1)
bne $t0, $s5, Exit
addi $s3, $s3, 1
j Loop
Exit: …

2.7計算機硬體對過程的支持2.7.1 使用更多的寄存器

寄存器的使用

$a0 – $a3: 傳遞參數 (reg’s 4 – 7)

$v0, $v1: 返回結果值 (reg’s 2 and 3)

$t0 – $t9: 臨時寄存器

$s0 – $s7: 保存參數

$gp: 靜態數據的全局指針寄存器(reg 28)

$sp: 棧指針寄存器stack pointer (reg 29)

$fp: 幀指針寄存器(frame pointer) ， 保存過程幀的第一個字 (reg 30)

$ra:返回地址寄存器 return address (reg 31)

過程調用指令

過程調用：跳轉和連結
jal ProcedureLabel

下一條指令的地址在寄存器$ra中

跳轉到目標地址

過程返回:寄存器跳轉 jump register
jr $ra

拷貝$ra到程序計數器

也被用於運算後跳轉

2.8 MIPS中32位立即數和尋址2.8.1 32位立即數

lui rt, constant

取立即數並放到高16位

註：Ori立即數或，$ s0與常數2304「或」，結果放在$s0形成一個32位的常數

2.8.2分支和跳轉中的尋址

分支指令說明

操作碼，兩個寄存器，兩個地址

大多數跳轉目標離跳出的位置較近

向前或向後

PC相對尋址

目標地址 = PC + offset × 4

此時PC的增加量是4的倍數

跳轉（j和jal）的目標地址可以在代碼段的任何位置

指令除op外，指令其它欄位都是地址

直接跳轉到地址

Target address = PC31…28 : (address × 4)

2.8.3 MIPS尋址模式總結

2.9並行與指令：同步

處理器共享存儲器同一區域

P1 寫, P2 讀

（任務1寫的結果是任務2要讀取得值）

如果P1和P2不同步，將發生數據競爭

結果由訪問次序決定

依賴硬體提供同步指令

例如：lock和unlock指令，控制一個「互斥區」

原子讀/寫內存操作

在讀和寫之間，不再允許對該空間的其他操作

可以是單一的指令

例如寄存器和內存之間的原子交換

或者指令的原子配對

2.10 翻譯並執行程序

編譯器：編譯器將C程序轉換成一種機器能理解的符號形式的彙編語言程序

彙編器：

彙編器（或編譯器）把程序翻譯成機器語言提供從部分構建完整程序的信息

目標文件頭：描述目標文件其他部分的大小和位置

正文段：翻譯後的指令，包含機器語言代碼

靜態數據段：包含在程序生命周期內分配的數據

重定位信息：標記了一些程序加載進內存時依賴於絕對地址的指令和數據

符號表：全局定義和外部引用

調試信息：用於關聯源文件

        5.初始化寄存器（包括堆棧指針s p , 幀 指 針 sp, 幀指針sp,幀指針fp, 全局指針$gp ）

        6.跳轉到啟動進程

動態連結庫：
調用時，只是連接或裝入庫文件

2.11 數組與指針2.11.1 用數組實現clear

2.11.2 用指針實現clear

2.11.3 比較兩個版本的clear

乘指令長度的操作變成移位操作

編譯器可以獲得和手動使用指針相同的效果