『计算机的组成与设计』-指令：计算机的语言

『计算机的组成与设计』-指令：计算机的语言

發佈於 2018-05-09

计算机语言中的基本单词称为指令。一台计算机的全部指令称为该计算机的指令集。 尽管机器语言种类繁多，但他们之间十分相似，其差异性更像人类语言的”方言”。 本篇讲解 MIPS 指令集。

1. Intel x86，在 PC 以及后 PC 时代的云计算领域占统治地位
2. ARMv8 将 ARMv7 的地址范围从 32 位扩展到 64 位。讽刺的是，ARMv8 更接近 MIPS 而非 ARMv7

注意: MIPS 和 RAM 属于精简指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)，而 x86 属于复杂指令集(Complex Instruction Set Computer，CISC)。 现在在 RISC 占统治地位的是 RAM，在 CISC 占统治地位的是 x86。MIPS 已死，MIPS 永生。 以 MIPS 为代表的精简指令集关注的是:

• 减少指令的类型
• 降低指令复杂度

基本原则: a simple CPU is a faster CPU。

MIPS 操作数

MIPS 寄存器字解释

MIPS 指令

算术指令

数据传输指令

位操作

条件分支

无条件跳转

MIPS 指令的特点

1. 固定的指令长度(32-bit 即1 word) 简化了从存储器取指令。
2. 简单的寻址模式 简化了从存储器取操作数。
3. 指令数量少，功能简单 简化指令的执行过程。
4. 只有 load 和 store 指令能访问存储器

硬件设计三原则:

任何计算机必须能执行算术运算。 MIPS 汇编语言使用 add a, b, c 表示将 b 和 c 相加的结果赋值给 a。 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。 这种情况说明了硬件设计的三条基本原则的第一条: 设计原则1: 简单源于规整。 MIPS 算术运算指令的操作数有严格限制。他们必须来自寄存器。MIPS 体系结构中寄存器的大小为 32 个，因此在 MIPS 体系结构中将其称为字 word。 高级语言中的变量与寄存器的一个主要区别就是寄存器的数量有限。 寄存器个数限制为 32 个的理由可表示为硬件设计的三条基本原则的第二条:

设计原则2: 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多时间。

设计原则3: 优秀的设计需要折中的方案 MIPS 设计者为保持所有指令长度相同，采用了一种折中方案: 不同类型的指令采用不同的指令格式。

在高级语言中，有保存仅含一个数据的简单变量。也有像数组或结构那样的复杂数据结构。处理器只将少量数据保存在寄存器中，数据结构是存放在存储器中的。 并且之前说过，MIPS 的算术运算只能对寄存器进行操作，因此，MIPS 必须包含在存储器和寄存器之间传送数据的指令。这些指令称为数据传送指令。 为了访问存储器中的一个字，指令必须给出存储器地址(address)。 将数据从储存器复制到寄存器的数据传输指令称为取数(load)指令。取数指令的格式是操作码之后接着目标寄存器，在后面是用来访问存储器的常数和寄存器。常数和第二个寄存器中的值相加即得到存储器地址。取数指令助记符为 lw(load word)。 数据传输指令的常数称为偏移量(offset)，存放基址的寄存器称为基址寄存器(base register)。 与取数对应的指令称为存数 store word。 有一个常数操作数的快速加法指令称为加立即数(add immediate，addi)。MIPS 支持负常数，因此不需要设置减立即数指令。

示例:

假设

• A 是一个 100 个字的数组，首地址在寄存器 $19 中
• 变量 h 对应寄存器 $18
• 临时数据存储在寄存器 $8

那么 A[10] = h + A[3]对应的 MIPS 指令是:

MIPS 指令的基本格式

指令的布局形式叫做指令格式。

注意:

• 在 R 型指令中，rd 表示用于存放结果的目的操作数，rs 表示第一个源操作数，rt 表示第二个源操作数
• 在 I 型指令中，rt 表示接收取数结果的目的操作数，rs 表示源操作数

R 型指令示例

如: lw rd, rs, rt

查指令编码表可得: opcode: 0, funct 32, shamt: 0(非移位指令) 根据操作数可得: rd = 8(目的操作数), rs = 9(第一个源操作数), rt = 10(第二个源操作数) 所以 R 指令为: 000000 01001 01010 01000 00000 100000

查指令编码表可得: opcode: 0, funct 0, shamt(shift amount): 4 根据操作数可得: rd = 10(目的操作数), rs = 0(第一个源操作数), rt = 16(第二个源操作数) 所以 R 指令为: 000000 00000 10000 01010 00100 000000

I 型指令示例

如: addi rt, imm(rs)

查指令编码表可得: opcode: 8 分析指令可得: rs = 22, rt = 21, imm = -50 所以 I 指令为: 001000 10110 10101 1111111111001110

决策指令

程序语言通常使用if语句描述决策，有时也使用 go to 语句和标签。 MIPS 汇编语言中有两条类似 if 和 go to 语句功能的指令:

1. beq reg1, reg2, L1 该指令表示: 如果 reg1 与 reg2 中的数值相等，则跳转标签为 L1 的语句执行。

beq(branch if equal)表示如果相等则分支。 2. bne reg1, reg2, L1 该指令表示: 如果 reg1 与 reg2 中的数值不相等，则跳转标签为 L1 的语句执行。 bne(branch if not equal)表示如果不相等则分支。

这两条指令称为条件分支指令 conditional branch。指该指令先比较两个值，根据比较的结果决定是否从程序中的一个新地址开始执行指令序列。

还有另一种分支指令，称为无条件分支指令 unconditional branch。当遇到这种指令，程序必须分支。MIPS 将该指令命名为 j 意为 jump。

循环

无论是 if 语句，还是循环语句，决策起着重要作用，这两种情况，决策的汇编指令是相同的。

假设 i 和 k 保存在s3和s5中，save 数组基址为

case/switch 语句

大多数程序设计语言都有 case/switch 语句，使得程序员可以根据某个变量的值选择不同的分支。 实现方式是: 将多个指令序列分支的地址编码为一张表，即转移表(jump table) MIPS 提供了寄存器跳转指令 jr 意为 jump register，用来无条件跳转到寄存器的指定的地址。

计算机硬件对过程的支持

过程(procedure)或函数是程序员进行结构化编程的工具，两者有助于提高程序的可理解性和代码的可重用性。 MIPS 在为过程调用分配寄存器时遵循下述约定:

• a0-a3: 用于传递参数的 4 个参数寄存器
• v0-v1: 用于返回值的两个值寄存器
• $ra: 用于返回起始点的返回地址寄存器

除了分配这些寄存器之外，MIPS 还包括一条过程调用指令: 跳转到某个地址的同时将下一条指令的地址保存在 ra 中，这条跳转和链接指令(jump and link instruction)格式为:jal procedureAddress在存储程序概念中，使用一个寄存器保存当前运行的指令地址是决定必要的。这个寄存器称为程序计数器(program counter)，在 MIPS 中简称 PC。jal 指令实际将 PC+4 保存在 ra 中。

使用更多的寄存器

换出寄存器最理想的数据结构是栈(stack): 一种后进先出的队列。 栈需要一个指针指向栈中最新分配的地址，以指示下一个过程置换出寄存器的位置。或是寄存器旧值的存放位置。在每次寄存器进行保存或恢复时，栈指针(stack pointer)以字为单位进行调整。 MIPS 为栈指针准备了第 29 号寄存器 $sp。 将数据放入栈中的操作称为 push。 从栈中移除数据的操作称为 pop。