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【计算机组成原理】考纲第四章 MIPS指令系统及汇编语言

本文转载自  查看原文  2020-10-23 16:39  427    北航考研复习笔记/ 计算机组成原理

(四)、MIPS指令系统及汇编语言

（1）指令系统的基本知识（指令格式、寻址方式）

（2）MIPS汇编语言

4.1 指令系统的基本知识

4.1.1 指令系统概述

image-20201020174502093

4.1.2 指令格式

机器指令是计算机硬件可以执行的、表示一种基本操作的二进制代码。

  • 指令格式：操作码 + 操作数（操作数地址）

    • 操作码：指明指令的操作性质
    • 操作数：指明操作数的位置（或操作数本身）

  • 指令表示：

    • 机器表示：二级制代码
    • 符号化表示：助记符，如 MOV AX, BX

  • 操作码结构：

    • 固定长度操作码：操作码长度固定不变

      ①硬件设计简单；②指令译码时间开销较小；③指令空间效率较低

    • 可变长度操作码：操作码长度随指令地址数目的不同而不同

      ①硬件设计复杂；②指令译码时间开销较大；③指令空间利用率较高

  • 指令长度：

    • 定长指令系统：如MIPS指令
    • 变长指令系统：一般为字节的整数倍，如X86指令

4.1.3 寻址方式

(1) 什么是寻址？

寻址方式 就是根据 形式地址 计算出操作数 有效地址 的方法。

  • 形式地址：指令给出直接的操作数的地址编码
  • 有效地址：操作数实际在内存中存储的地址
(2) 怎么寻址？

  1. 寻址方式的确定

    • 在操作码中给定寻址方式：如 MIPS 指令，指令中仅有一个主（虚）存地址的，且指令中仅有几种寻址方式。 Load/store 型机器指令属于这种情况。

    • 指令中专门的寻址方式位：如 X86 指令，指令中有多个操作数，且寻址方式各不相同，需要各自说明寻址方式。

      image-20201020202223602

  2. 按照指定方式进行寻址

    寻址方式 示意图 说明 操作数位置 访问操作数所需访存次数
    立即寻址 image-20201020202344630 image-20201020202708944 指令中 0
    寄存器直接寻址 image-20201020202355521 image-20201020202721699 寄存器 0
    寄存器间接寻址 image-20201020202407657 image-20201020202733645 存储器 1
    基址寻址 image-20201020202416157 image-20201020202746061 存储器 1
    变址寻址 image-20201020202516488 image-20201020202755018 存储器 1
    相对寻址 image-20201020202523635 image-20201020202807345 存储器 1
    堆栈寻址 image-20201020203015603 image-20201020202846921 存储器 1

4.2 MIPS汇编语言

4.2.1 MIPS指令系统

(1) MIPS R2000/R3000 寄存器结构

image-20201020211446917

(2) MIPS 寄存器使用约定
  • 为了保持硬件的简单，汇编语言不使用变量，操作数都是寄存器（registers），寄存器没有数值类型（与C语言等高级语言不同）
  • MIPS有 32 个寄存器，每个寄存器存放数据的宽度为 32 bits（1个字）

image-20201020211604562

(3) MIPS 指令格式

  • MIPS 只有3种指令格式，32位固定长度指令格式

    原因：冯·诺伊曼计算机建立在两个原则之上——①指令与数值的表示形式一致；②全部程序可以被存储在内存中，像数据一样被读写。为了简化计算机系统的软/硬件，使得适用于数据操作的内存技术完全适用于指令操作，MIPS将指令也按照数据相同的”按字存储“的方式存储，即一条指令占32位，同时将32位划分为不同的字段，每一个字段提供指令的一部分信息，不同的划分方式形成了不同的指令格式——R、I、J，详细见下表。

  • MIPS 指令格式一览表

    R （Register ） I （Immediate） J（Jump）
    image-20201020212525677 image-20201020212612818 image-20201020212700024
    opcode：与 func 组合起来，决定该条指令名（操作符），opcode等于0时代表所有R类型指令；
    rs (Source Register)：通常指定存放第一个操作数；
    rt (Target Register)：通常指定存放第二个操作数；
    rd (Destination Register)：通常指定存放计算结果的寄存器；
    shamt：存储执行移位运算时要移的位数，该字段在不进行移位的指令中通常置0    		 opcode : I类型指令中opcode可以唯一确定一条指令；
    rs：表示唯一的操作数寄存器；
    rt：指定存储计算结果的寄存器；
    立即数：16bits，可表示$2^{16}$ 个不同的整数值，在 addi, slti, sltiu 等指令中中立即数通过位扩展(符号扩展)方式扩展到32位    		 opcode：与前两者一致；
    target address：26bits，利用字对齐，可以表示出32-bit地址的28位
    add, addu, sub, subu, and, or, jr addi, ori, lui, lw, sw, beq, bnq j, jal
    说明：5bits指定寄存器位置正好可以对应32 ($2^5$)个寄存器 说明：如果立即数超过16bits所能表示的范围，可以借助 lui 指令——将一个16bit的立即数存入寄存器的高16位，并将寄存器的低16位置 0 $New PC = {\ PC[31..28],Addr,00\}$
(4) MIPS 指令语法
  • 注意 “指令语法” 与 “指令格式” 的不同：指令语法是程序员书写的语法规范，语法是固定的，用过约定好的规则使硬件实现更简单；而指令格式是指机器码(二进制代码)的格式
  • 指令语法：操作符, 目标, 源1, 源2
    • 操作符：指明操作的名称
    • 目标：存放操作的结果
    • 源1 (2)：第一 (二) 个操作数
(5) MIPS 寻址方式

  • MIPS 没有间接寻址，且Load/Store指令采用单一寻址模式(基址寻址)

  • MIPS 寻址方式

    image-20201020213211600

(6) MIPS 指令介绍

  • Load / Store 指令（取数/存储指令）

    • 格式：I 类型指令

    • 分类：①取数指令：LB (取字节), LBU (取不带符号字节), LH (取半字), LHU (取不带符号的半字), LW (取字), LWL, LWR 等；②存储指令：SB (存字节), SH (存半字), SW (存字), SWL , SWR 等

  • 运算指令

    • 格式：R 类型指令， I 类型指令
    • 分类：①算数运算：add, addu, addi, addiu, sub, subu, mul, mulu, div, divu, mfhi, mflo等；②逻辑运算：and, andi, or, ori, xor, xori, nor等；③移位运算：sll, srl, sra, sllv, srlv, srav 等

  • 跳转指令

    • 格式：J 类型指令，R 类型指令
    • 分类：j, jal, jr, jalr

  • 转移指令

    • 格式：I 类型指令
    • 分类：beq(相等转移), bne(不等转移), blez(小于或等于0转移), bgtz(大于0转移), bltz(小于0转移), bltzal, bgezal 等

  • 特殊指令

    • 格式：R 类型指令
    • 分类：syscall(系统调用), break(断点)
  • R类型指令编码示例
  • 使用MIPS实现swap递归函数

4.2.2 MIPS汇编语言详解

(1) MIPS的数据通路与内存布局

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(2) MIPS的寄存器传送的控制逻辑

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(3) MIPS 汇编语言中的 算术、逻辑、移位运算

  • 整数加减法

    • 加法：add $s0, $s1, $s2
    • 减法：sub $s3, $s4, $s5

  • 0号寄存器、立即数

    • 0号寄存器：定义 $0 为数字 0 ，也可写作 $zero

    • 立即数：即数值常量，MIPS针对立即数设置了专门指令，如 addi $s0, $s1, 10

      需要注意的是，MIPS没有立即数的减法，可以用立即数加实现

  • 算数运算的溢出

    • 可检测出溢出异常的指令：add, sub, addi
    • 不会检测出溢出异常的指令：addu, subu, addiu
    • MIPS中的C编译器会使用 addu, addiu, subu，即不检查溢出异常

  • 移位运算

    • 逻辑左移 sll：左移并且补0，位移量为立即数
    • 逻辑右移 srl：右移并且补0，位移量为立即数
    • 算数右移 sra：右移并且在空位做符号扩展填充，位移量为立即数
    • sllv, srlv, srav：移位量存储在寄存器中，处理方式与立即数位移量类似
(4) MIPS 汇编语言中的 数据存取

  • MIPS算术指令只能操作寄存器，不能直接操作内存，需要通过数据存取指令在内存与寄存器之间传输数据

  • 数据存取指令

    • 内存到寄存器：lw

      lw $t0, 12($s0) ：$s0称为基址寄存器，12称为偏移量

    • 寄存器到内存：sw

      sw $t0, 12($s0) ：与 lw 相同

  • 字节的存取指令

    • lb $s0, 3($s1) ：把内存中的某个地址(3 + s1中的地址值)所存储的数值拷贝到s0的低地址字节上(其余24位使用符号扩展)
    • sb $s0, 3($s1) ：把s0的低地址字节所存储的数值存储到内存中的某个地址(3 + s1中的地址值)上

  • 寻址：现代计算机按字节编址，32-bit 字地址按 4 递增

  • 字对齐：对象的起始位置一定要是字长的整数倍，故MIPS中lw和sw指令的基址寄存器的值与偏移量都应该是4的倍数

(5) MIPS汇编中的 分支、循环

  • 条件分支指令

    • beq $1, $2, Label1：相当于C语言中的 if($1==$2) goto L1;
    • bne $1, $2, Label1：相当于C语言中的 if($1!=$2) goto L2;

  • 无条件分支指令

    • j Label：无条件跳转到标签label所在的代码，相当于 goto Label

  • 不等式指令

    • slt $1, $2, $3：相当于 $1 = ($2 < $3) ? 1 : 0;
    • slti：slt的立即数版本
(6) 一些小练习

  • IF - ELSE 语句

    // C语言原代码
if (i == j) f = g + h;
else f = g - h;

    # MIPS汇编实现代码如下
beq $s3, $s4, Label_True	# branch i==j
sub $s0, $s1, $s2			# f=g-h (false)
j Label_Finish				# goto Fin
Label_True:
add $s0, $s1, $s2			# f=g+h (True)
Label_Finish:

  • SWITCH 语句

    // C语言原代码
switch (k) {
	case 0: f = i + j; break; 
	case 1: f = g + h; break; 
	case 2: f = g - h; break; 
	case 3: f = i - j; break;
}
// 简化为IF-ELSE语句
if (k == 0) f = i + j;
else if (k == 1) f = g + h;
else if (k == 2) f = g - h;
else f = i - j;

    # MIPS汇编实现代码如下
bne $s5, $0, Label1		# branch k!=0
add $s0, $s3, $s4		# k==0 so f=i+j
j Label_Exit			# end of case so Exit
Label1:
addi $t0, $s5, -1		# $t0=k-1
bne $t0, $0, Label2		# branch k!=1
add $s0, $s1, $s2		# k==1 so f=g+h
j Label_Exit			# end of case so Exit
Label2:
addi $t0, $s5, -2		# $t0=k-2
bne $t0, $0, Label3		# branch k!=2
sub $s0, $s1, $s2		# k==2 so f=g-h
j Label_Exit			# end of case so Exit   
Label3:
addi $t0, $s5, -3		# $t0=k-3
bne $t0, $0, Label_Exit	# branch k!=3
sub $s0, $s3, $s4		# k==3 so f=i-j
Label_Exit:

  • DO - WHILE 语句

    // C语言原代码
do {
    g = g + A[i];
    i = i + j;
} while (i != h);

// 改写为GOTO语句
Label_Loop: 
g = g + A[i];
i = i + j;
if (i != h) goto Label_Loop;

    # MIPS汇编实现代码如下
Label_Loop:
sll $t1, $s3, 2				#$t1= 4*i
add $t1, $t1, $s5			#$t1=addr A
lw  $t1, 0($t1)				#$t1=A[i]
add $s1, $s1, $t1			#g=g+A[i]
bne $s3, $s2, Label_Loop	#if i!= h goto Label_Loop
(7) MIPS 支持函数功能的指令

  • 可同时执行跳转和存储返回地址的指令

    • jal Label：执行步骤 - ①link：将下一条指令地址存入$ra；②jump：向指定的Label跳转
    • 一般配合 jr $ra 使用，即 jal Label 存指令到 $ra，并跳转到调用函数的头部，函数执行完毕后使用jr $ra跳转到调用处的下一条指令，完成一次函数的调用

  • 嵌套调用的实现

    • 嵌套调用会覆盖$ra 中的返回地址信息，故需要另寻他路——使用 Stack 栈

  • 寄存器 $sp 始终指向栈空间最后被使用的位置（可以理解为”栈指针“，栈从下往上递增，栈指针地址递减）

    • 调用规则：①将需要保存的值压入栈中；②指定参数（如果需要的话）；③jal调用函数；④从栈中恢复相关的值
    • 调用过程中的规则：①通过 jal 指令调用 , 使用jr $ra指令返回；②最多可接受4个入口参数——$a0, $a1, $a2, $a3；③
    # C语言 原代码
int sumSquare(int x, int y) { return mult(x, x) + y; }

# MIPS汇编实现
sumSqure:
	addi $sp, $sp, -8		# space on stack
	sw $ra, 4($sp)			# save ret addr
	sw $a1, 0($sp)			# save y
	
	add $a1, $a0, $zero		# prep args
	jal mult				# call mult
	
	lw $a1, 0($sp)			# restore y
	add $v0, $v0, $a1		# mult()+y
	lw $ra, 4($sp)			# get ret addr
	addi $sp, $sp, 8		# restore stack
	jr $ra
	
mult:
	#mult函数
(8) MIPS 通用寄存器使用规范
  • 通用寄存器分配（见 4.2.1(2)寄存器使用约定 ）
  • 特殊寄存器（系统维护）
    • $at：编译器随时可能使用，最好不要用
    • $k0~$k1：操作系用随时可能使用，最好不要用
    • $gp,$fp：自动维护，无需操作
  • 保存寄存器（程序员维护）
    • $0 ：不能改变，恒为 0
    • $s0-$s7 ：如果被修改了需要恢复。如果被调用函数改变了这些寄存器的值，则必须在函数返回之前将这些寄存器的原始值恢复
    • $sp ：如果被修改了需要恢复。栈指针在 jal 执行之前或之后必须是指向的同一地址，不然调用函数无法从栈里正确恢复数据
  • 易变寄存器（程序员维护）
    • $ra ：会改变。 jal 会自动更改这个寄存器值，但调用函数需要手动将其值保存在栈上
    • $v0~$v1 ：会改变。始终保存最新的返回值
    • $a0~$a3 ：会改变。调用函数如果在调用完成后还要用到这些寄存器中的值，就要在调用前将这些值保存在自己的栈空间内
    • $t0~$t7 ：会改变。任何函数在任何时候都可以更新这些寄存器中的值；与$a0~$a3类似，调用函数时需手动将这些值保存在栈空间内以防止丢失（被覆盖）
(9) MIPS 汇编程序

  • 汇编语言语句

    • 可执行指令：为处理器生成在运行时执行的机器码，告诉处理器该做什么
    • 伪指令、宏：由汇编程序翻译成真正的指令，简化编程人员的工作
    • 汇编伪指令：当翻译代码时为汇编程序提供信息，用来定义段、分配内存变量等；不可执行 ——汇编伪指令不是指令集的一部分

  • 程序模板

    • .DATA ：伪指令，定义程序的数据段，程序变量需要在该伪指令下定义，汇编程序会分配和初始化变量的存储空间

    • .TEXT ：定义程序的代码段

    • .GLOBL：伪指令，声明 一个符号为全局的，可被其它文件引用，通常用来声明一个程序的 main 过程

    image-20201023114851165

  • 数据定义

    • 目的：为变量的存储划分内存（可能会有选择的为数据分配标签）

    • 语法：[名字:] 伪指令 初始值 [, 初始值 ] ……

    • 数据伪指令

      .BYTE ：以 8 位字节存储数值表

      .HALF ：以 16 位（半字长）存储数值表

      .WORD ：以 32 位（一个字长）存储数值表

      .WORD w:n ：将 32 位数值 w 存入 n 个边界对齐的连续的字中

      .FLOAT ：以 单精度浮点数存储数值表

      .DOUBLE ：以 双精度浮点数存储数值表

    • 字符串伪指令

      .ASCII ：为 一个 ASCII 字符串分配字节序列

      .ASCIIZ ：与 .ASCII 伪指令类似 , 但字符串 以 NULL 结尾

      .SPACE n ：为 数据段中 n 个未初始化的字节分配空间

    • 实例

      .DATA
var1: .BYTE 	1, 2,'Z'
str1: .ASCIIZ 	"My String\n"
var2: .WORD 	0x12345678

      汇编程序会为标签（也可理解为变量）构建符号表，为每一个数据段的标签计算地址，如下图。

      image-20201023152646359

  • 内存对齐、字节序

    • .ALIGN n - 对下一个定义的数据做 $2^n$ 字节对齐

    • 对齐：字的地址是4的整数倍（即地址的2位最低有效位必须是 $00_b$），半字的地址是2的整数倍

    • 字节序、端

      ①小端字节排序：内存地址 = 最低有效字节 的地址，例子 : Intel IA-32, Alpha

      image-20201023153250944

      ②大端字节排序：内存地址 = 最高有效字节 的地址，例子 : SPARC, PA-RISC

      image-20201023153314396

      ▲注意：MIPS 可以操作以上两种字节序

  • 系统调用

    • syscall ：MIPS提供特殊的 syscall 指令，从操作系统获取服务

    • 作用：程序通过系统调用实现输入输出

    • syscall系统服务流程：①从 $v0 寄存器中读取服务数；②从 $a0, $a1 等寄存器中读取参数值（如果有）③发送 syscall 指令；④从结果寄存器中取回返回值（如果有）

    • 程序示例 与 系统服务列表

      move $a0, $s0	#copy value of $s0 to $a0
li $v0, 1		#load the service number
syscall			#system service start

    image-20201023154214712

  • 参数传递

    • 寄存器方法（使用通用寄存器$a0~$a3）

    • 栈方法（使用栈 $sp）

      栈适用于以下情况：①不适用使用寄存器时，用来存储变量 / 数据结构；②过程调用中保存和恢复寄存器；③实现递归

(10) 一些小练习

  • 选择排序

    # Objective: Sort array using selection sort algorithm
# Input:  $a0 = pointer to first, $a1 = pointer to last
# Output: array is sorted in place
##########################################################
sort:
	addiu $sp, $sp, 4 	# allocate one word on stack
	sw $ra, 0($sp)		# save return address on stack
top:
	jal max 			# call max procedure
	lw $t0, 0($a1)		# $t0 = last value
	sw $t0, 0($v0)		# swap last and max values
	sw $v1, 0($a1)
	addiu $a1, $a1, 4 	# decrement pointer to last
	bne $a0, $a1, top 	# more elements to sort
	lw $ra, 0($ sp)		# pop return address
	addiu $sp, $sp, 4
	jr $ra 				# return to caller
	
# Objective: Find the address and value of maximum element
# Input: $a0 = pointer to first, $a1 = pointer to last
# Output: $v0 = pointer to max, $v1 = value of max
##########################################################
max:
	move $v0, $a0 		# max pointer = first pointer
	lw $v1, 0($v0)		# $v1 = first value
	beq $a0, $a1, ret 	# if (first == last) return
	move $t0, $a0		# $t0 = array pointer
loop:
	addi $t0, $t0, 4 	# point to next array element
	lw $t1, 0($t0)		# $t1 = value of A[
	ble $t1, $v1, skip 	# if (A[i] <= max) then skip
	move $v0, $t0 		# found new maximum
	move $v1, $t1
skip:
	bne $t0, $a1, loop 	# loop back if more elements
ret:
	jr $ra

  • 递归过程

    int fact(int n) {
    if (n < 2) return 1;
    else return (n*fact(n-1));
}

    fact:
	slti $t0,$a0,2 		# (n<2)?
	beq $t0,$0,else 	# if false branch to else
	li $v0,1 			# $v0 = 1
	jr $ra 				# return to caller
else:
	addiu $sp,$sp, -8 	# allocate 2 words on stack
	sw $a0,4($sp)		# save argument n
	sw $ra,0($sp)		# save return address
	addiu $a0,$a0, -1	# argument = n-1
	jal fact 			# call fact(n-1)
	lw $a0,4($sp)		# restore argument
	lw $ra,0($sp)		# restore return address
	mul $v0,$a0,$v0 	# $v0 = n*fact(n-1)
	addi $sp,$sp,8 		# free stack frame
	jr $ra 				# return to caller


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