计组--指令集及其特性

Chapter2-1 指令集及其特性

指令集：一个给定的计算机体系结构所包含的指令集合。

指令中包含：

操作码 (Op code）—— Do this

源操作数引用 （Source Operand reference）—— To this

结果操作数引用（Result Operand reference）—— Put the answer here

下一个指令引用（Next Instruction Reference）—— When you have done that, do this

指令周期演示图：

 

指令表示：在机器代码中，每个指令都有唯一的位模式。 

一种简单的指令格式：

指令类型：数据处理，数据储存(主内存)，数据移动(I/O)，程序流控制

存储程序概念(存储程序)：多种类型的指令和数据均以数字形式存储与存储器中的概念。

极计算机硬件的操作

每条MIPS指令只执行一个操作。与加法类似的指令一般都有三个操作数：两个进行运算的数和一个保存结果的数。

a = b + c + d - e

add a, b, c       # the sum of b and c is placed in a 

add a, a, d       # the sum of b, c, and d is now in a

sub a, a, e       # the difference of a and e is now in a

Q：对于一个给定的功能，用下列哪种编程语言实现可能花费的代码行数最多？将下面3种语言排序：

      1. java  2. C  3. MIPS汇编语言

计算机硬件的操作数

MIPS算术运算指令的操作数必须来自寄存器(register)。在MIPS体系结构中寄存器的大小为32位，在MIPS体系结构中将其称为“字”

字(word)：计算机中的基本访问单位，通常是32位一组，在MIPS体系结构中与寄存器大小相同。

MIPS算术指令的三个操作数必须从32个32位寄存器中选取。

寄存器个数限制为32个的原因：1. “越小越快”，大量的寄存器可能会使时钟周期变长，因为电信号传输更远的距离必然花费更长的时间。2. 受指令格式位数的限制

约定：用“$”后面跟两个字符来表示一个寄存器。使用$s0, $s1, ...来表示与C和Java程序中的变量所对应的寄存器；用$t0, $t1, ...来表示将程序编译为MIPS指令时所需的临时寄存器。

例：f = ( g + h ) - ( i + j )，变量f、g、h、i、j依次分配给寄存器$s0, $s1, $s2, $s3 和 $s4。编译后的MIPS码是什么？

add $t0, $s1, $s2         #register $to contains g + h

add $t1, $s3, $s4         #register $t1 contains i + j

sub $s0, $t0, $t1          # f gets $t0 - $t1, which is ( g + h ) - ( i + j )

存储器操作数

对于像数组和结构那样的复杂数据结构，其中的数据元素可能远多于寄存器的个数。如何访问这样大的结构呢？

这些数据结构是存放在存储器中的。而MIPS的算术运算指令只对寄存器进行操作，因此MIPS必须包含在存储器和寄存器之间传送数据的指令，这些指令被叫做数据传送指令(data transfer instruction)。为了访问存储器中的一个字， 指令必须给出存储器地址(address)。

存储器就是一个很大的下标从0开始的一维数组，地址就相当于数组的下标。

取数指令(load)：指令符为lw（load word的缩写）。格式如下：

lw $s1, 5($s0)

格式为：操作码+ 目标寄存器+ 用来访问存储器的常数+ 存放数组的起始地址的寄存器

基址(base address)：数组A的起始地址

基址寄存器(base register)：存放基址的寄存器

偏移量(offset)：数据传送指令中的常量(取数组中下标为x的元素的值)

例：设A是一个含有100个字的数组，变量g, h仍分配给寄存器$s1, $s2。设数组A的起始地址(基址)存放在寄存器 $s3中。试编译下面的C赋值语句：g = h + A[8]

解答：lw $t0, 8($s3)                    # temporary reg $t0 gets A[8]

           add $s1, $s2, $t0              # g = h + A[8]