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【計算機組成原理】考綱第四章 MIPS指令系統及匯編語言

本文轉載自   查看原文   2020-10-23 16:39   427    北航考研復習筆記/ 計算機組成原理

(四)、MIPS指令系統及匯編語言

（1）指令系統的基本知識（指令格式、尋址方式）

（2）MIPS匯編語言

4.1 指令系統的基本知識

4.1.1 指令系統概述

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4.1.2 指令格式

機器指令是計算機硬件可以執行的、表示一種基本操作的二進制代碼。

  • 指令格式：操作碼 + 操作數（操作數地址）

    • 操作碼：指明指令的操作性質
    • 操作數：指明操作數的位置（或操作數本身）

  • 指令表示：

    • 機器表示：二級制代碼
    • 符號化表示：助記符，如 MOV AX, BX

  • 操作碼結構：

    • 固定長度操作碼：操作碼長度固定不變

      ①硬件設計簡單；②指令譯碼時間開銷較小；③指令空間效率較低

    • 可變長度操作碼：操作碼長度隨指令地址數目的不同而不同

      ①硬件設計復雜；②指令譯碼時間開銷較大；③指令空間利用率較高

  • 指令長度：

    • 定長指令系統：如MIPS指令
    • 變長指令系統：一般為字節的整數倍，如X86指令

4.1.3 尋址方式

(1) 什么是尋址？

尋址方式 就是根據 形式地址 計算出操作數 有效地址 的方法。

  • 形式地址：指令給出直接的操作數的地址編碼
  • 有效地址：操作數實際在內存中存儲的地址
(2) 怎么尋址？

  1. 尋址方式的確定

    • 在操作碼中給定尋址方式：如 MIPS 指令，指令中僅有一個主（虛）存地址的，且指令中僅有幾種尋址方式。 Load/store 型機器指令屬於這種情況。

    • 指令中專門的尋址方式位：如 X86 指令，指令中有多個操作數，且尋址方式各不相同，需要各自說明尋址方式。

      image-20201020202223602

  2. 按照指定方式進行尋址

    尋址方式 示意圖 說明 操作數位置 訪問操作數所需訪存次數
    立即尋址 image-20201020202344630 image-20201020202708944 指令中 0
    寄存器直接尋址 image-20201020202355521 image-20201020202721699 寄存器 0
    寄存器間接尋址 image-20201020202407657 image-20201020202733645 存儲器 1
    基址尋址 image-20201020202416157 image-20201020202746061 存儲器 1
    變址尋址 image-20201020202516488 image-20201020202755018 存儲器 1
    相對尋址 image-20201020202523635 image-20201020202807345 存儲器 1
    堆棧尋址 image-20201020203015603 image-20201020202846921 存儲器 1

4.2 MIPS匯編語言

4.2.1 MIPS指令系統

(1) MIPS R2000/R3000 寄存器結構

image-20201020211446917

(2) MIPS 寄存器使用約定
  • 為了保持硬件的簡單，匯編語言不使用變量，操作數都是寄存器（registers），寄存器沒有數值類型（與C語言等高級語言不同）
  • MIPS有 32 個寄存器，每個寄存器存放數據的寬度為 32 bits（1個字）

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(3) MIPS 指令格式

  • MIPS 只有3種指令格式，32位固定長度指令格式

    原因：馮·諾伊曼計算機建立在兩個原則之上——①指令與數值的表示形式一致；②全部程序可以被存儲在內存中，像數據一樣被讀寫。為了簡化計算機系統的軟/硬件，使得適用於數據操作的內存技術完全適用於指令操作，MIPS將指令也按照數據相同的”按字存儲“的方式存儲，即一條指令占32位，同時將32位划分為不同的字段，每一個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，詳細見下表。

  • MIPS 指令格式一覽表

    R （Register ） I （Immediate） J（Jump）
    image-20201020212525677 image-20201020212612818 image-20201020212700024
    opcode：與 func 組合起來，決定該條指令名（操作符），opcode等於0時代表所有R類型指令；
    rs (Source Register)：通常指定存放第一個操作數；
    rt (Target Register)：通常指定存放第二個操作數；
    rd (Destination Register)：通常指定存放計算結果的寄存器；
    shamt：存儲執行移位運算時要移的位數，該字段在不進行移位的指令中通常置0    		 opcode : I類型指令中opcode可以唯一確定一條指令；
    rs：表示唯一的操作數寄存器；
    rt：指定存儲計算結果的寄存器；
    立即數：16bits，可表示$2^{16}$ 個不同的整數值，在 addi, slti, sltiu 等指令中中立即數通過位擴展(符號擴展)方式擴展到32位    		 opcode：與前兩者一致；
    target address：26bits，利用字對齊，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
    說明：5bits指定寄存器位置正好可以對應32 ($2^5$)個寄存器 說明：如果立即數超過16bits所能表示的范圍，可以借助 lui 指令——將一個16bit的立即數存入寄存器的高16位，並將寄存器的低16位置 0 $New PC = {\ PC[31..28],Addr,00\}$
(4) MIPS 指令語法
  • 注意 “指令語法” 與 “指令格式” 的不同：指令語法是程序員書寫的語法規范，語法是固定的，用過約定好的規則使硬件實現更簡單；而指令格式是指機器碼(二進制代碼)的格式
  • 指令語法：操作符, 目標, 源1, 源2
    • 操作符：指明操作的名稱
    • 目標：存放操作的結果
    • 源1 (2)：第一 (二) 個操作數
(5) MIPS 尋址方式

  • MIPS 沒有間接尋址，且Load/Store指令采用單一尋址模式(基址尋址)

  • MIPS 尋址方式

    image-20201020213211600

(6) MIPS 指令介紹

  • Load / Store 指令（取數/存儲指令）

    • 格式：I 類型指令

    • 分類：①取數指令：LB (取字節), LBU (取不帶符號字節), LH (取半字), LHU (取不帶符號的半字), LW (取字), LWL, LWR 等；②存儲指令：SB (存字節), SH (存半字), SW (存字), SWL , SWR 等

  • 運算指令

    • 格式：R 類型指令， I 類型指令
    • 分類：①算數運算：add, addu, addi, addiu, sub, subu, mul, mulu, div, divu, mfhi, mflo等；②邏輯運算：and, andi, or, ori, xor, xori, nor等；③移位運算：sll, srl, sra, sllv, srlv, srav 等

  • 跳轉指令

    • 格式：J 類型指令，R 類型指令
    • 分類：j, jal, jr, jalr

  • 轉移指令

    • 格式：I 類型指令
    • 分類：beq(相等轉移), bne(不等轉移), blez(小於或等於0轉移), bgtz(大於0轉移), bltz(小於0轉移), bltzal, bgezal 等

  • 特殊指令

    • 格式：R 類型指令
    • 分類：syscall(系統調用), break(斷點)
  • R類型指令編碼示例
  • 使用MIPS實現swap遞歸函數

4.2.2 MIPS匯編語言詳解

(1) MIPS的數據通路與內存布局

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(2) MIPS的寄存器傳送的控制邏輯

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(3) MIPS 匯編語言中的 算術、邏輯、移位運算

  • 整數加減法

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

  • 0號寄存器、立即數

    • 0號寄存器：定義 $0 為數字 0 ，也可寫作 $zero

    • 立即數：即數值常量，MIPS針對立即數設置了專門指令，如 addi $s0, $s1, 10

      需要注意的是，MIPS沒有立即數的減法，可以用立即數加實現

  • 算數運算的溢出

    • 可檢測出溢出異常的指令：add, sub, addi
    • 不會檢測出溢出異常的指令：addu, subu, addiu
    • MIPS中的C編譯器會使用 addu, addiu, subu，即不檢查溢出異常

  • 移位運算

    • 邏輯左移 sll：左移並且補0，位移量為立即數
    • 邏輯右移 srl：右移並且補0，位移量為立即數
    • 算數右移 sra：右移並且在空位做符號擴展填充，位移量為立即數
    • sllv, srlv, srav：移位量存儲在寄存器中，處理方式與立即數位移量類似
(4) MIPS 匯編語言中的 數據存取

  • MIPS算術指令只能操作寄存器，不能直接操作內存，需要通過數據存取指令在內存與寄存器之間傳輸數據

  • 數據存取指令

    • 內存到寄存器：lw

      lw $t0, 12($s0) ：$s0稱為基址寄存器，12稱為偏移量

    • 寄存器到內存：sw

      sw $t0, 12($s0) ：與 lw 相同

  • 字節的存取指令

    • lb $s0, 3($s1) ：把內存中的某個地址(3 + s1中的地址值)所存儲的數值拷貝到s0的低地址字節上(其余24位使用符號擴展)
    • sb $s0, 3($s1) ：把s0的低地址字節所存儲的數值存儲到內存中的某個地址(3 + s1中的地址值)上

  • 尋址：現代計算機按字節編址，32-bit 字地址按 4 遞增

  • 字對齊：對象的起始位置一定要是字長的整數倍，故MIPS中lw和sw指令的基址寄存器的值與偏移量都應該是4的倍數

(5) MIPS匯編中的 分支、循環

  • 條件分支指令

    • beq $1, $2, Label1：相當於C語言中的 if($1==$2) goto L1;
    • bne $1, $2, Label1：相當於C語言中的 if($1!=$2) goto L2;

  • 無條件分支指令

    • j Label：無條件跳轉到標簽label所在的代碼，相當於 goto Label

  • 不等式指令

    • slt $1, $2, $3：相當於 $1 = ($2 < $3) ? 1 : 0;
    • slti：slt的立即數版本
(6) 一些小練習

  • IF - ELSE 語句

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

    # MIPS匯編實現代碼如下
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 語句

    // C語言原代碼
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;
}
// 簡化為IF-ELSE語句
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匯編實現代碼如下
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 語句

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

// 改寫為GOTO語句
Label_Loop: 
g = g + A[i];
i = i + j;
if (i != h) goto Label_Loop;

    # MIPS匯編實現代碼如下
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 支持函數功能的指令

  • 可同時執行跳轉和存儲返回地址的指令

    • jal Label：執行步驟 - ①link：將下一條指令地址存入$ra；②jump：向指定的Label跳轉
    • 一般配合 jr $ra 使用，即 jal Label 存指令到 $ra，並跳轉到調用函數的頭部，函數執行完畢后使用jr $ra跳轉到調用處的下一條指令，完成一次函數的調用

  • 嵌套調用的實現

    • 嵌套調用會覆蓋$ra 中的返回地址信息，故需要另尋他路——使用 Stack 棧

  • 寄存器 $sp 始終指向棧空間最后被使用的位置（可以理解為”棧指針“，棧從下往上遞增，棧指針地址遞減）

    • 調用規則：①將需要保存的值壓入棧中；②指定參數（如果需要的話）；③jal調用函數；④從棧中恢復相關的值
    • 調用過程中的規則：①通過 jal 指令調用 , 使用jr $ra指令返回；②最多可接受4個入口參數——$a0, $a1, $a2, $a3；③
    # C語言 原代碼
int sumSquare(int x, int y) { return mult(x, x) + y; }

# MIPS匯編實現
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函數
(8) MIPS 通用寄存器使用規范
  • 通用寄存器分配（見 4.2.1(2)寄存器使用約定 ）
  • 特殊寄存器（系統維護）
    • $at：編譯器隨時可能使用，最好不要用
    • $k0~$k1：操作系用隨時可能使用，最好不要用
    • $gp,$fp：自動維護，無需操作
  • 保存寄存器（程序員維護）
    • $0 ：不能改變，恆為 0
    • $s0-$s7 ：如果被修改了需要恢復。如果被調用函數改變了這些寄存器的值，則必須在函數返回之前將這些寄存器的原始值恢復
    • $sp ：如果被修改了需要恢復。棧指針在 jal 執行之前或之后必須是指向的同一地址，不然調用函數無法從棧里正確恢復數據
  • 易變寄存器（程序員維護）
    • $ra ：會改變。 jal 會自動更改這個寄存器值，但調用函數需要手動將其值保存在棧上
    • $v0~$v1 ：會改變。始終保存最新的返回值
    • $a0~$a3 ：會改變。調用函數如果在調用完成后還要用到這些寄存器中的值，就要在調用前將這些值保存在自己的棧空間內
    • $t0~$t7 ：會改變。任何函數在任何時候都可以更新這些寄存器中的值；與$a0~$a3類似，調用函數時需手動將這些值保存在棧空間內以防止丟失（被覆蓋）
(9) MIPS 匯編程序

  • 匯編語言語句

    • 可執行指令：為處理器生成在運行時執行的機器碼，告訴處理器該做什么
    • 偽指令、宏：由匯編程序翻譯成真正的指令，簡化編程人員的工作
    • 匯編偽指令：當翻譯代碼時為匯編程序提供信息，用來定義段、分配內存變量等；不可執行 ——匯編偽指令不是指令集的一部分

  • 程序模板

    • .DATA ：偽指令，定義程序的數據段，程序變量需要在該偽指令下定義，匯編程序會分配和初始化變量的存儲空間

    • .TEXT ：定義程序的代碼段

    • .GLOBL：偽指令，聲明 一個符號為全局的，可被其它文件引用，通常用來聲明一個程序的 main 過程

    image-20201023114851165

  • 數據定義

    • 目的：為變量的存儲划分內存（可能會有選擇的為數據分配標簽）

    • 語法：[名字:] 偽指令 初始值 [, 初始值 ] ……

    • 數據偽指令

      .BYTE ：以 8 位字節存儲數值表

      .HALF ：以 16 位（半字長）存儲數值表

      .WORD ：以 32 位（一個字長）存儲數值表

      .WORD w:n ：將 32 位數值 w 存入 n 個邊界對齊的連續的字中

      .FLOAT ：以 單精度浮點數存儲數值表

      .DOUBLE ：以 雙精度浮點數存儲數值表

    • 字符串偽指令

      .ASCII ：為 一個 ASCII 字符串分配字節序列

      .ASCIIZ ：與 .ASCII 偽指令類似 , 但字符串 以 NULL 結尾

      .SPACE n ：為 數據段中 n 個未初始化的字節分配空間

    • 實例

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

      匯編程序會為標簽（也可理解為變量）構建符號表，為每一個數據段的標簽計算地址，如下圖。

      image-20201023152646359

  • 內存對齊、字節序

    • .ALIGN n - 對下一個定義的數據做 $2^n$ 字節對齊

    • 對齊：字的地址是4的整數倍（即地址的2位最低有效位必須是 $00_b$），半字的地址是2的整數倍

    • 字節序、端

      ①小端字節排序：內存地址 = 最低有效字節 的地址，例子 : Intel IA-32, Alpha

      image-20201023153250944

      ②大端字節排序：內存地址 = 最高有效字節 的地址，例子 : SPARC, PA-RISC

      image-20201023153314396

      ▲注意：MIPS 可以操作以上兩種字節序

  • 系統調用

    • syscall ：MIPS提供特殊的 syscall 指令，從操作系統獲取服務

    • 作用：程序通過系統調用實現輸入輸出

    • syscall系統服務流程：①從 $v0 寄存器中讀取服務數；②從 $a0, $a1 等寄存器中讀取參數值（如果有）③發送 syscall 指令；④從結果寄存器中取回返回值（如果有）

    • 程序示例 與 系統服務列表

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

    image-20201023154214712

  • 參數傳遞

    • 寄存器方法（使用通用寄存器$a0~$a3）

    • 棧方法（使用棧 $sp）

      棧適用於以下情況：①不適用使用寄存器時，用來存儲變量 / 數據結構；②過程調用中保存和恢復寄存器；③實現遞歸

(10) 一些小練習

  • 選擇排序

    # 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

  • 遞歸過程

    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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