第二章：指令：计算机的语言（防遗忘）-Toy模板网

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概念

指令：计算机硬件所能理解并服从的命令。

存储程序概念：多种类型的指令和数据均以数字形式存储于存储器中的概念。

字：计算机中的基本访问单位，通常是32位为一组，在MIPS体系结构中与寄存器大小相同。

数据传送指令：在存储器和寄存器之间移动数据的命令

地址：用于在存储器空间中指明某特定数据元素位置的值

对齐限制：数据地址与存储器的自然边界对齐的要求

程序计数器（PC）：包含在程序中正在被执行指令地址的寄存器

基本块：没有分支（可能出现在末尾者除外）并且没有分支目标/分支标签（可能出现在开始者除外）的指令序列

一、数字特征

1个字= 个字 $第二章：指令：计算机的语言（防遗忘）$

MIPS指令集：

①按字节编址。一个字4个字节，一个字节8bit。

②寄存器大小为32位

③地址值为32位

④采用大端编址

数据的低位保存在内存的高地址中,而数据的高位,保存在内存的低地址中

二、指令的基本结构

R型指令：

rd是目的寄存器

如：算术运算指令、逻辑操作

补码运算

add、sub、sll(逻辑左移）、and、or、slt（set on less than 小于则置位）

add $t0,$s0,$s1//$t0是目的寄存器

sub $t0,$s0,$s1//$t0是目的寄存器

sll $t0,$s0,4 //$t0是目的寄存器

and $t0,$t1,$t2//$t0是目的寄存器

slt $t0,$s3,$s4 //$t0是目的寄存器

I型指令：

rt是目的寄存器

立即数指令(addi)、数据传送指令(lw、sw)：

注意16位立即数为有符号补码，进行计算时需要先进行符号扩展，此指令认为寄存器内的数据也为补码形式。由于这里是有符号数，所以没有subi指令.

决策指令（beq、bne）：

PC相对寻址，这里的地址为字地址，需要将16位地址乘以4，得到18位的字节地址，再进行相加。这里同样是有符号数的补码形式，需要进行符号扩展。并且相对偏移的对象为PC+4

立即数逻辑操作指令(ori、andi)、取立即数高位指令(lui):

逻辑操作的立即数是通过变成32位数的低十六位，而高十六位补0形成的“无符号数”进行运算的；lui指令是直接把constant字段放入寄存器的高十六位，低十六位补0

lw $t0,23($s0) //$t0是目的寄存器

sw $t0,43($s0) //$t0是目的寄存器

beq $t0,$t1,L1//$t0和$t1地位等价

bne $t0,$t1,L1//$t0和$t1地位等价

addi $s3,$s0,4 //$s3是目的寄存器

J型指令：

无条件跳转 jump指令

PC+4的高四位与 Jump指令的立即数*4 的28位进行拼接。

基址寄存器：

g=h+A[8] ，其中变量h的值存放在$s2中，变量g的值存放在$s1中

编译为：

lw $t0,32($s3)

add $s1,$s2,$t0

$s3存放数组的首地址，即$s3为基址寄存器，32位偏移量，认为该数组的每个元素的大小为一个字，所以偏移量为8*4。

符号扩展：

需要符号扩展的是需要进行运算的立即数，如beq,lw,sw,addi他们的立即数都需要进行加法运算,beq的立即数需要与PC+4相加，lw和sw的立即数是需要与基址寄存器的地址相加，addi的立即数需要与指令中的源寄存器相加，这些都需要将立即数看作有符号数进行符号扩展再运算。

而对于lui，ori，jump不直接进行加法运算的就不需考虑符号扩展。

例:

某条addi的机器码为：

0010 00 01 001 1 0011 1011 0000 0010 0000

若寄存器编号和寄存器数据值相同，则此指令为：

addi $19,$9,(1011000000100000)B

所以运算结果应该为：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

+

1111 1111 1111 1111 1011 0000 0010 0000（有符号数16位符号扩展为32位）

=

1111 1111 1111 1111 1011 0000 0010 1001

此结果存入$19中

PC相对寻址：

beq $t2,$t0,10 ; 假设此时PC中的值为01000000H

则目标地址为：

$第二章：指令：计算机的语言（防遗忘）$ （H表示16进制，D表示十进制）

即0 100002C H

无条件跳转：

Jump 10; 跳转到10*4=40D=28H

目标地址为：

0 0000028H

↑

PC高四位bit

32位立即数：

lui指令（读取立即数高位指令）+ori指令（立即数或）

lui指令将16位立即数常数放到寄存器高16位，低16位填充0

ori指令将16位立即数常数放到寄存器低16位，高16位填充0

立即数：

在逻辑操作中：立即数与、立即数或的16位立即数是高16位补0形成32位进行与或运算（相当于无符号数）如ori;

在加法下：立即数进行符号扩展，再运算如addi;

远距离分支：

实现其他跳转

为什么lw和sw的地址是字节地址(不乘以4），而beq和jump是字地址（偏移量*4）？

因为beq和jump都是程序计数器的跳转，是存放指令地址的，而指令是32位的，一条指令4个字节，所以指令的存储都是以4个字节为单位的，所以只需要字地址就可以找到一条指令。但是数据不一定是4个字节的，比如C语言中char类型是一个字节的，这样的话，为了使得lw和sw能取到具体的数据，需要具体到字节地址。

三、硬件设计的设计原则

①简单源于规整 ：

所有指令长度统一、算术指令总是需要三个寄存器操作数、寄存器字段在每种指令格式的位置相同

②越小越快 ：

寄存器只有32个。

③优秀的设计需要适宜的折中方案：

指令长度相同的情况下，不同类型的指令采用不同的指令格式。

不同类型指令采用不同的解码方式，但都是32位相同的指令长度，尽可能保持相似的指令格式。

一个 MIPS 例子是在指令中提供更大地址与常数，并且保持所有的指令具有相同的长度之间的折中。