手记

计算机组成与设计 读书笔记——第二章

第二章:指令:计算机的语言

MIPS操作数

  • 寄存器
    • $s0-$s7 $t0-$t9 $a0-$a3 $v0-v1 $zero(恒为零) $gp $fp $sp $ra $at(为构造32位立即数保留)
    • 只有存在寄存器的数据能进行算术计算操作
  • 2^30个存储字
    • Memory[0] Memory[4] Memory[8] ... Memory[4294967292]
    • 只能通过数据传输指令访问
    • MIPS使用字节编址
    • 用于保存数据结构 数组 和 溢出的寄存器

MIPS指令表

在MIPS架构中,指令被分为三种类型:R型、I型和J型。三种类型的指令的最高6位均为6位的操作码。从25位往下,

  • R型指令用连续三个5位二进制码来表示三个寄存器的地址,然后用一个5位二进制码来表示移位的位数(如果未使用移位操作,则全为0),最后为6位的function码(它与opcode码共同决定R型指令的具体操作方式);
  • I型指令则用连续两个5位二进制码来表示两个寄存器的地址,然后是一个16位二进制码来表示的一个立即数二进制码;
  • J型指令用26位二进制码来表示跳转目标的指令地址(实际的指令地址应为32位,其中最低两位为00,高四位由PC当前地址决定)。

三种类型的指令图示如下:

其中 rs是操作数1的寄存器 rt是操作数2的寄存器 rd是存放结果的寄存器 shamt是位移量 funct是功能码 immediate是立即数 address是地址

以下是指令表




MIPS程序举例

  1. 条件分支

bne  $S3,$S4,Else
add  $S0,$S1,$S2
j    Exit
Else : sub $S0,$S1,$S2
Exit
  1. 循环
while (A[i] == B) {
    i++;
}

Loop: sll $t1,$s3,2       # 临时变量 $t1 = i*4 这是为了计算A[i]的地址
add $t1,$t1,$s6          # s6是&A[0] t1是&A[i]
lw $t0,0($t1)             # $t0 = A[i]
bne $t0,$s5,Exit          # 不相等时跳出
addi $s3,$s3,1            # i++
j Loop
Exit

MIPS里的函数调用(过程)

寄存器和指令约定

  1. $a0 ~ $a3 用于存放四个参数
  2. $v0 ~ $v1 用于存放两个返回值
  3. $ra 用于存放返回地址 即调用地址的PC+4
  4. jal 后面跟地址表示调用该地址的函数 用 jr $ra返回
  5. 被调用者想要用一些寄存器必须用栈结构——把寄存器的旧值压栈,以便腾出寄存器用,最后出栈恢复。
  6. $sp是栈指针。压栈$sp -= 4 * n 出栈$sp += 4 * n
  7. $t0 ~ $t9 是存放临时值的 不需要被调用者保存
  8. $s0 ~ $s7 被调用者要负责保存和恢复现场的寄存器
  9. 嵌套调用的话 $ra 和参数寄存器之类可能互相覆盖,因此所有可能被覆盖的寄存器压栈,有必要的话,调用者会保存的会包括调用后还需要的$a0 ~ $a3$t0 ~ $t9,被调用者会保存的包括$ra和被调用者使用的$s0 ~ $s7 (因此迭代比递归性能高很多)
  10. 多于4个参数的情况,可以将额外参数放在栈指针上方。

寄存器编号表


MIPS里的寻址

32位立即数

  • MIPS里有个lui指令,可以用于设置寄存器的高16位,然后后续指令进行一次或运算就可以为低16位赋值。
  • 汇编器为了创建32位常数,保留了$at寄存器,来作为临时的寄存器。

操作数寻址模式

  1. 立即数寻址:操作数是立即数,来自指令
  2. 寄存器寻址:操作数是寄存器
  3. 基址寻址:操作数在内存中,其地址是常数与基址寄存器的和。
  4. PC相对寻址:操作数的地址是PC和指令中的常数和
  5. 伪直接寻址:操作数地址(跳转地址)是26位字段和PC高位相连

汇编器与伪指令

汇编器会将伪指令翻译为正式指令

举例

  1. move $t0, $t1 转译为 add $t0, $zero, $t1
  2. blt 转译为 slt bne (其他同样的例子:bgt bge ble )
  3. la  是 load address 比如 la``$t0, var1
  4. li 是 load immediate 比如 li $1, 0x3BF20
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