【计算机组成与设计 硬件/软件接口-2】MIPS指令集架构
指令：计算机的语言
引言
所谓指令集，指的就是计算机的全部指令，这章节将以MIPS指令集作为学习对象，如果是x86指令集，还请参考《深入理解计算机系统》。MIPS指令集在嵌入式芯片市场占有相当大的市场份额，应用在包括用户电子，网络/存储设备，相机，打印机等等。学习MIPS指令集，其实最终只需要掌握几张表就足够了，要能看懂学会当成API文档进行查阅。本章节并不会讲解太多指令怎么用，我们的关注点更多的落在如何应用MIPS指令进行计算机的设计。
文档下载地址：MIPS Green Sheet
计算机硬件的操作
所有的算术运算指令，格式都是十分规整，以add a, b, c 为例，其表示a = b + c，这种设计符合硬件简单性原则，即规范化的设计使得硬件实现简单，简单让高性能变得低成本。
计算机硬件的操作数
一般硬件中的操作数，存在于三个地方，在寄存器中，在内存中，还有就是直接包含在指令当中，直接包含在指令当中的操作数，我们把它叫做立即数。
寄存器操作数
注意：所有的算逻运算，涉及到的读写都是使用寄存器，并不直接使用内存。
对于32位的MIPS机来讲，有32个寄存器，每个寄存器有32位，编号为0~31，32位的数据成为word（字）。对汇编器来讲，为了方便阅读，分为$t0，$t1，…，$t9，作为临时变量存储；$s0，$s1，…，$s7，作为已存储变量存储。MIPS为何不使用更多的寄存器呢？大量的寄存器可能会使得时钟周期变长，因为电信号传输更远的距离必然花费更长的时间。设计者必须在更多寄存器和加快时钟周期之间进行权衡。这就是越小越快的设计原则。
内存操作数
内存用于存储一些当前并不经常使用、容量较大的数据，如数组、结构体、动态数据。内存操作辅助算逻运算，可以将操作数从内存load到寄存器，也可以将操作数从寄存器store到内存。MIPS32中，以8位组成每个byte；操作数取哪一个，由地址标识。此外，MIPS32中，words在内存中是对齐的，地址必须是4的倍数，采用大端方式进行编址。大端和小端的区别，其实已经在x86的学习中涉及。假设现在有数：0x00 00 30 39，下面是大端法和小端法的表示：
对处理器而言，内存相较于寄存器访问速度要慢很多。
立即数操作数
对于比较小的立即数，我们可以直接将它放在指令里面访问，这样可以避免到内存中取数。可想而知，一个load指令，肯定要比取立即数，花费更多的时钟周期。如果我们能够根据使用的频率，来定义常数，也是加速大概率事件的一个好方法。
有符号数和无符号数
这部分的内容过于基础了，这里简单点一下就可以。不过有关于数制之间的转换和甄别，是一定要掌握的。
无符号二进制整数
无符号整数，实质上就是把最高位当作数值位看待。
有符号二进制整数
无符号整数，实质上就是把最高位当作符号位看待。常见的一些数值范围应该要熟悉：C语言各种数据类型取值范围
符号扩展
符号扩展要做的事情，就是使用更多的位来表示一个数字，同时数值保持不变。在MIPS指令中，有一些指令会进行符号扩展：
- addi：扩展立即数
- lb，lh：扩展到取半字节/半字
- beq，bne：扩展位移
对于无符号数扩展来说，我们仅需要补0；对于有符号数，我们仅需要补1。
计算机中指令的表示
指令和数据在计算机中的表示并没有什么差别，都是二进制编码表示。MIPS中有两种指令的格式。
R格式指令
所谓R格式指令，可以理解为指令只和寄存器打交道。R格式指令如下：
- op：操作码
- rs：第一个源寄存器编号
- rt：第二个源寄存器编号
- rd：目的寄存器编号
- shamt：若有移位，表示移位位数
- funct：功能码
例如，指令add $t0, $t1, $t2的指令格式为：
查表，对应翻译到二进制为：
I 格式指令
所谓I格式指令，可以理解为指令内包含了立即数（Immediate number）。I格式指令如下：
- op：操作码
- rt：目的或源寄存器编号
- constant取值范围：–215 ~ 215 – 1
上面我们已经看到了，MIPS最终都把不同的指令归结为上面两种形式，不同的类型指令采用不同的解码方式，但是都是32位的统一指令长度，且尽可能保证指令格式相似，这体现了优秀的设计需要适宜的折中方案。
决策 | 循环
分支语句，其实就是在一个语句块的前后加上bne，beq等判断条件，条件成立则往下执行或跳转到某个label，继续执行相应的语句。而循环结构，其实就是在一定的条件内，让语句块形成一个闭环，反复执行这个语句块。这里面不讲太多，到最后综合举例的时候再看看就好了，其实和x86的语句结构是一样的。
在这个部分，我们还需要掌握的一个概念就是“基本块”，所谓基本块，指的是一个指令序列，这个指令序列内部没有跳出的指令，也没有被跳转到的指令。一些高级处理机能够加速基本块的执行。
最后提一点，在以字节寻址的MIPS机中，bne、beq机器指令的立即数（被设计者规定为字地址，非字节地址），都要乘上4才能得到最终的地址。
过程调用（计算机硬件对过程的支持）
ISA层面上的过程调用还是值得我们留意的，对MIPS来说，调用过程的步骤，和其他ISA并无太大差别：
- 将参数放在过程可以访问的寄存器里
- 将控制权转移给过程
- 获得过程所需要的存储资源
- 执行过程的操作
- 过程将结果值放在调用过程可以访问到的寄存器
- 将控制权返回到调用点
对于MIPS32来说，一些寄存器的用途如下：
- $a0 – $a3: 传递参数
- $v0, $v1: 返回结果值
- $t0 – $t9: 临时寄存器，可以被调用者改写
- $s0 – $s7: 保存参数，必须被调用者保存和恢复
- $gp: 静态数据的全局指针寄存器
- $sp: 堆栈指针寄存器
- $fp: 帧指针寄存器-保存过程帧的第一个字
- $ra: 返回地址寄存器
过程的调用一般用到指令：
- jal：调用过程，跳转和链接
这里注意 jal 和普通的 j 还是不同的，j只是简单地跳转到某地址执行指令，但是jal还附带了保存PC下条指令地址到$ra等操作 - jr：过程返回，寄存器跳转
过程调用中一个比较有意思的例子是嵌套调用，要实现嵌套调用，一定得用到栈这种结构。举斐波那契数的计算如下：
斐波那契的递推公式是：f(n) = f(n-1) + f(n-2)，初始f(0) = 1，f(1) = 1，规定n ≥ 2
其MIPS的汇编代码为：
fact:
addi $sp, $sp, -8 # 栈中开辟8字节空间
sw $ra, 4($sp) # 前4个字节保存返回地址
sw $a0, 0($sp) # 后4个字节保存过程参数，这里就是n
slti $t0, $a0, 1 # 测试一下是否到达了边界
beq $t0, $zero, L1 # 还没到边界，跳转L1，继续递归
addi $v0, $zero, 1 # 若到边界，返回1
addi $sp, $sp, 8 # 出栈
jr $ra # 返回上层调用
L1:
addi $a0, $a0, -1 # 准备新的参数
jal fact # 更深一层调用
lw $a0, 0($sp) # 这里是调用出口，先取得该层的n
lw $ra, 4($sp) # 再取得该层的将来的返回地址
addi $sp, $sp, 8 # 出栈
mul $v0, $a0, $v0 # 将n和递归过程得到的结果相乘
jr $ra # 返回上层调用
了解计算机硬件对过程的支持，还需要了解一下简单的内存布局示意：
- 栈数据存储：
- 内存宏观布局：
MIPS中的32位立即数和寻址模式
32位立即数
32位立即数用的比较少，毕竟大部分常数都比较小。MIPS给我们提供了一些指令可供操作。
构造一个32位立即数分两步，一是构造高16位，二是构造低16位：
lui $s0, 61
ori $s0, $s0, 2304
寻址模式
- 立即数寻址：操作数是位于指令自身中的常数
- 寄存器寻址：操作数是寄存器
- 基址寻址（偏移寻址）：操作数在内存中，其地址是指令基址寄存器和常数的和
- PC相对寻址：地址是PC和指令中常数的和
- 伪直接寻址：跳转地址由指令中26位字段和PC高位相连而成
程序是怎么在机器上执行的
这个问题是很经典的问题，对一个简单Hello World程序在机器上的执行过程进行探索，我们能够漫游整个计算机系统。一般来说，现代计算机系统上，程序的执行流程是：
前面关于预处理和编译成asm就不用多说了，我们关注一下目标模块如何生成：
首先，一个单独的.o文件包含了本模块的基本信息，一般包含：
- 目标文件头：描述目标文件其他部分的大小和位置
- 正文段：翻译后的指令，包含机器语言代码
- 静态数据段：包含在程序生命周期内分配的数据
- 重定位信息，标记了一些程序加载进内存时依赖于绝对地址的指令和数据
- 符号表，全局定义和外部引用
- 调试信息：用于关联源文件
一个.o文件单打独斗行不通，需要其他的.o模块进行链接，才可以构造出一个可执行程序，例如输出就还需要用到printf.o文件，链接一般分两个阶段，即符号解析和重定位，这个阶段还涉及到合并相同内存段，虚拟内存空间映射等操作。
构造出来的可执行文件是存在于磁盘上的，我们需要加载它才能运行，加载的一般步骤如下;
- 读取可执行文件头来确定正文段和数据段的大小
- 为正文和数据创建一个足够大的地址空间
- 把指令和初始数据拷贝到内存或者设置页表项,使它们可用
- 把主程序的参数复制到栈顶
- 初始化寄存器（包括堆栈指针 $ sp, 帧指针 $ fp, 全局指针$gp ）
- 跳转到启动进程
复制参数到寄存器并调用主函数main
主函数返回时，通过系统调用exit终止程序
以上就是程序运行的一次简单漫游。这里我们还要提点一下Java程序和JVM，实在太重要了。
下图展示了Java翻译和运行步骤：
Java程序首先被编译成Java字节码指令集，JVM执对Java字节码文件进行解释，解释的优势就移植性强，从手机到网络浏览器，都有JVM的身影，劣势就是性能较差，与C程序相比存在10倍的性能差异。
为了保持可移植性，同时提升性能，开发Java下一阶段的目标是实现程序执行的同时可以翻译，叫JIT（Java即时编译器），JIT能够在运行Java时选择性地把一些方法编译成宿主机上地本地机器语言。
MIPS / ARM / x86 架构（了解）
之所以了解这些架构，主要还是为了拓宽一下视野（当然，某年腾讯的面试也问到了这些架构相关的话题）
ARM、 MIPS 、X86三大架构对比
MIPS汇编的一些例子
- MIPS实现strcpy：
strcpy:
addi $sp, $sp, -4 # adjust stack for 1 item
sw $s0, 0($sp) # save $s0
add $s0, $zero, $zero # i = 0
L1:
add $t1, $s0, $a1 # addr of y[i] in $t1
lbu $t2, 0($t1) # $t2 = y[i]
add $t3, $s0, $a0 # addr of x[i] in $t3
sb $t2, 0($t3) # x[i] = y[i]
beq $t2, $zero, L2 # exit loop if y[i] == 0
addi $s0, $s0, 1 # i = i + 1
j L1 # next iteration of loop
L2:
lw $s0, 0($sp) # restore saved $s0
addi $sp, $sp, 4 # pop 1 item from stack
jr $ra # and return
其他补充
指令集总结：
- 真实MIPS指令
| MIPS指令 | 名称 | 格式 |
|---|---|---|
| 加 | add | R |
| 减 | sub | R |
| 加立即数 | addi | I |
| 取字 | lw | I |
| 存字 | sw | I |
| 取半字 | lh | I |
| 取无符号半字 | lhu | I |
| 存半字 | sh | I |
| 取字节 | lb | I |
| 取无符号字节 | lbu | I |
| 存字节 | sb | I |
| 取链接字 | ll | I |
| 存条件字 | sc | I |
| 取立即数高位 | lui | I |
| 与 | and | R |
| 或 | or | R |
| 或非 | nor | R |
| 与立即数 | andi | I |
| 或立即数 | ori | I |
| 逻辑左移 | sll | R |
| 逻辑右移 | srl | R |
| 相等跳转 | beq | I |
| 不相等跳转 | bne | I |
| 小于置位 | slt | R |
| 小于立即数置位 | slti | I |
| 小于无符号立即数置位 | sltiu | I |
| 跳转 | j | J |
| 跳转至寄存器指定位置 | jr | R |
| 跳转和链接 | jal | J |
- 伪指令
| MIPS伪指令 | 名称 | 格式 |
|---|---|---|
| 移位 | move | R |
| 乘 | mult | R |
| 乘立即数 | multi | I |
| 取立即数 | li | I |
| 小于跳转 | blt | I |
| 小于等于跳转 | ble | I |
| 大于跳转 | bgt | I |
| 大于等于跳转 | bge | I |
指令格式总结：
