计算机组成mooc笔记,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

条件分支bne $S3,$S4,Else

add $S0,$S1,$S2

j Exit

Else : sub $S0,$S1,$S2

Exit

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

$a0 ~ $a3 用于存放四个参数

$v0 ~ $v1 用于存放两个返回值

$ra 用于存放返回地址 即调用地址的PC+4

jal 后面跟地址表示调用该地址的函数 用 jr $ra返回

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。

$sp是栈指针。压栈$sp -= 4 * n 出栈$sp += 4 * n

$t0 ~ $t9 是存放临时值的 不需要被调用者保存

$s0 ~ $s7 被调用者要负责保存和恢复现场的寄存器

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 ~ $a3和$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)

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

立即数寻址：操作数是立即数，来自指令

寄存器寻址：操作数是寄存器

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。

PC相对寻址：操作数的地址是PC和指令中的常数和

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

move $t0, $t1 转译为 add $t0, $zero, $t1

blt 转译为 slt bne (其他同样的例子:bgt bge ble )

la  是 load address 比如 la``$t0, var1

li 是 load immediate 比如 li $1, 0x3BF20