計算機指令

理清幾個點：

1. 指令中存放的二進制碼

   例如R型指令：

   opcode:操作碼	Rm:第二源操作數	Shamt：位移量	Rn:第一源操作數	Rd:目的寄存器
   11bit	5bit	6bit	5bit	5bit

   例如，這里的Rm位置下的二進制碼表示的是二進制的地址(指的是第幾個寄存器)，這里用的是寄存器尋址，就是說要取的值還在寄存器里，不會把它放入我們的指令中來。

2. 字	word	大小依賴平台（cpu一次能處理的位數）
   字節	byte	8bit
   位	bit	1bit

   1KB = 1024Bit、1MB = 1024KB 、1GB = 1024MB

2.1引言

計算機中的基本單詞成為指令（如ADD，SUB，CMP

指令集為計算機全部指令——也包括偽指令，不過經過匯編器會被編為基本指令。偽指令就是基本指令的變種。

指令集的兩種形式：

• 便於人們書寫的（匯編語言）
• 計算機所識別的（二進制碼)

2.2計算機硬件的操作

例如：

ADD a b c

這匯編語句對應一條指令，這條指令有且只有三個操作數。

這符合我們設計原則1：簡單源於規整。

2.3計算機硬件的操作數

LEGv8算數運算指令的操作數必須來自寄存器。

LEGv8的寄存器為64bit。

LEGv8體系下的字為32bit。

雙字為64bit。

LEGv8體系下的寄存器被限制為32個。為什么？

設計原則2：越少越快

大量的寄存器會使時鍾周期變成，因為電信號要傳的更遠。
另一個原因是指令的現在，LEGv8指令格式只給操作數分配5個bit,如果寄存器超出32個，那么指令也會隨之變長——因為需要更多的位來表示操作數。

2.3.1存儲器操作數

STUR	Rd	[基址寄存器，#偏移量]

寄存器溢出：就是指要存的變量的值多於寄存器的個數，所以我們將不常用的變量的值放在存儲器中。

2.4有符號數和無符號數

最低有效位：最右邊的一位

最高有效位：最左邊的一位

原碼表示法：符號和幅值表示法（舍棄不用）

補碼：

• 前置位為0：正數
• 前置位都為1：負數

補碼負值計算公式：

符號擴展——指從存儲器中載入寄存器的數值沒有64位，那么就要用數字去填充空缺位

• 符號擴展：就是用符號位去填充空缺
• 零擴展：用0去填充空缺位置。

2.5計算機中指令的表示

設計原則3：優秀的設計需要好的權衡和折中

因為有些指令不要三個寄存器,而需要更大位數來表示立即數和跳轉地址，但指令長度又被限制於32位，所以好把表示寄存器的位數用於表示立即數。例如無條件跳轉指令B，opcode只有6bit剩下的全部用於地址位,還有以下列舉的指令類型。

D型指令(load,store)：

opcode	address	op2：操作碼的邏輯擴展	Rn：基址寄存器	Rt
11bit	12bit	2bit	5bit	5bit

I型指令（ADDI，SUBI）

opcode	immediate	Rn	Rd
10bit	12bit	5bit	5bit

重點

計算機構建原則：

• 指令用數的形式表示
• 程序和數據一樣，存儲在存儲器上進行讀寫。

這兩個准則引發了存儲程序原理的誕生，使得計算機發揮了巨大的潛力。存儲器可以存放各種東西。

2.6邏輯操作

• 左移：LSL
• 右移：LSR
• 與：AND——操作位相同，結果位1
• 或：OR——操作位不同，結果位1
• 取反：NOT——0變1，1變0
• 異或：EOR——操作位不同時未1

2.7決策指令

CBZ	register	Lable	如果register為0跳轉到Lable
CBNZ	register	Lable	如果register不為0跳轉到Lable

B.cond 指令 ，cond表示條件

cond用於有符號數：

• EQ：equal
• NE：not equal
• LT：less than
• LE：less equal
• GT：greater than
• GE：greater equal

cond用於無符號數：

• LO：low
• LS：low same
• HI：high
• HS：high same

LEGv8還有一下四個二進制位來表示指令執行狀態：

• 負數標志位（N）
• 零標志位（Z）
• 溢出標志位（V）
• 僅為標志位（C）：若從最高位借位或者進位就設置條件嗎。

到頭設置標志位的方法：

• 用指令比較兩個寄存器大小，然后根據結果跳轉。
• 比較兩個寄存器的值，然后用第三個寄存器記錄比較是否成功。

只有ADD，ADDI，AND，ADNDI，SUB，SUBI能設置條件碼，想要設置條件碼就在指令尾加S（ADDS)

2.7.2邊界檢查

SUBS XZR, X20, X11 --X11=length
B.HS IndexOutOfBounds

檢查索引是否越界。

如果一個有符號數(非負數) 減去一個無符號數，如果有符號數>無符號數，運算中產生進位或者借位時，C置為1，

如果有符號數是一個（負數）那么大於無符號數，運算中中產生進位或者借位時，C置為1.

跳轉指令就可以憑借進位標志位（C）是否為1懸着跳轉。

2.8對函數的支持

執行函數的步驟：

1. 將參數放到函數可以訪問到的地方
2. 將執行控制權交給函數
3. 獲得函數執行所需的存儲資源
4. 執行所需的任務
5. 將結果值放在調用程序可訪問的地方
6. 將控制點放回調用點，因為一個函數在多個地方可能會被調用

LEGv8為過程（函數）分配寄存器的約定：

• X0~X7：作為參數寄存器用於傳遞參數和放回結果
• LR（X30）：作為放回地址寄存器，用於放回原始調用點。asdas

分支和連接指令（Branch and Link instruction)

BL procedureAddress
用於跳轉到某個地址的同時將下一條指令的地址保存在寄存器中。

寄存器跳轉指令（Branch register）

BR LR
跳轉會原始調用點。

PC：保存當前真正執行的指令地址

• 程序計數器
• 指令地址寄存器

兩個都是PC的別名。

我疑惑：棧為什么要從高地址開始?

	早期的系統需要考慮有限內存下的內存布局問題。具體來說，內存的一端放置了靜態代碼和靜態數據之后，剩余的區域，既需要動態數據，又需要可增長的棧，那么合理的方案就是各放一端向中間生長。現在的問題就是兩個選項：靜態內存放在哪端；棧是在靜態內存的同端還是對端。

2.8.1使用更多的寄存器

問題背景當函數需要的寄存器數量超過8個時，編譯器就要使用臨時的寄存器。

因為臨時的寄存器的寄存器可能放一些值被其他的指令所使用，所以編譯器使用臨時的寄存器不能留下痕跡（就是要回復原始數據）

這里保存和恢復舊數據使用stack，為了避免保存和恢復一個未使用過的寄存器。

LEGv8將寄存器分為兩組：

• X9~X17：不需要保留（調用者負責）
• X19~X28：需要保留（被調用者負責）

2.8.2過程（函數）嵌套

葉過程：不調用其他過程（函數）

如果存在嵌套過程，即A調用B，B調用C。

此時：

• X0_X7與X9X17中所使用的寄存器由調用者負責保存
• X19~X25和LR由被調用者負責保存。

2.8.3在Stack中為新數據分配內存

這個討論的是，Stack中不僅要保存寄存器的值（寄存器的大小是固定的）還要保存局部變量的值（大小是不固定的，INT32bit，Double64bit）。

過程幀（活動記錄）：Stack中包含過程所保存的的寄存器和局部變量的片段。

幀指針：指向給定過程中的寄存器和局部變量的值。

• 一種的幀指針指向過程的第一雙字。
• 另一種是在一個過程中為本地存儲器引用提供一個固定的基址。

2.8.4在堆中為新數據分配內存

堆：類似鏈表這樣的數據結構通常會在生命期內增長或者縮短，這類數據結構對應的段。

LEGv8語言中寄存器的使用約定：

2.9人機交互

• LDURB：將字節從內存中讀到寄存器的最右邊
• STURB：將寄存器最右邊八位寫入內存中

表示一個字符串的三種方法：

1. 保留字符串的第一個位子用於給出字符串的長度（java）
2. 附加一個指明字符串長度的變量
3. 字符串最后一個位置用一個字符來標識結尾（C語言）

2.10寬立即數和地址尋址。

2.10.1寬立即數

寬立即數用於更多位的常量或地址（因為LEGv8的指令長度限制了常熟或者地址的大小）

設置寄存器中的16位：

• MOVZ：將寄存器剩下的位置置0
• MOVK：將寄存器剩余的位置不變

LSL實現要加載的16位字段。LSL后面的數（加載完16位字段后剩余的位）取決於需要64位雙字的那個象限。例如加載到第四象限，那么后面剩下48位。

例如：

	被載入的寄存器	被載入的數字		第幾位開始載入
MOVZ	X9	255	LSL	16

2.10.2分支尋址

B指令的指令格式：

• 分支指令
• 分支和鏈接指令

6bit	26bit

CBZ等條件分支指令和依賴條件碼分支指令的格式

8bit	19bit	5bit

$$
程序計數器=寄存器內容+分支地址偏移量
$$

這個計算式表明：19位來表示一個地址可能不夠用了，因為一個程序不可能小於2^19。

因此我們要指定一個寄存器將它與分支地址偏移量相加，得到跳轉的地址。

這里我們要采用PC寄存器，因為條件分支轉移地址傾向於轉移到附近的指令。SPEC測試中顯示轉移的范圍來16個字以內（16條指令以內，因為一條指令的長度就是一個字）。運用這個公式我們可以轉移到2^18個字內，（只要用邏輯操作將分支偏移量*4 因為LEGv8的地址是按字節編址的）。

條件分支和跳轉指令（B）采用PC相對尋址。

分支和鏈接指令采用其他尋址方式。

2.11並行與指令：同步

同步：一個線程若需要其他線程產生的結果那么它需要停下來等待，就是一個個做。

線程同步：即當有一個線程在對內存進行操作時，其他線程都不可以對這個內存地址進行操作，直到該線程完成操作， 其他線程才能對該內存地址進行操作，而其他線程又處於等待狀態，實現線程同步的方法有很多，臨界區對象就是其中一種。

例程：某個系統對外提供的功能接口或者服務集合。

lock和unlock可以直接建立互斥區，允許當個處理器操作。

處理器對鎖單元加鎖的方法使用一個寄存器的1與該鎖（鎖在臨界區里）地址里的值交換，若寄存器為1，表面臨界區在被使用，若為0則可以被占用。

同步交換（atomic）由當個不可中斷的指令對實現。

指令對：

• LDXR：取出鎖值
• STXR：對臨界區進行操作。

STXR由兩個功能：

STXR X23, X9, [X20] -- Memory[X20] = X23 如果成功x9 = 0否則x9 = 1

1. 將存儲地址寫入X20
2. 將X9置為1或者0.

2.12翻譯並啟動程序

編譯器：將高級語言編譯為匯編語言

匯編器：可以識別並轉換為功能等價的機器語言

目標文件（.o，.obj）包含的內容：

• 目標托文件
• 代碼的
• 靜態數據段
• 重定位信息
• 符號表 ——程序中出現的（符號和地址）對。
• 調試信息

連接器：將改變代碼不需要重新編譯所有的，只需要編譯和匯編某一行在用連接器縫合。

工作的步驟：

• 將代碼和數據塊象征性的放入內存。
• 決定數據和指令標簽的地址
• 修補內部和外部引用。

連接器可以生成可運行的文件，內容和目標文件差不多，但不包括未解決的引用。

加載器：

• 讀取可執行文件頭來確定代碼段的地址空間
• 為代碼和數據創建一個足夠大的地址空間
• 將可執行文件的指令和數據復制到內存中
• 把主程序的參數復制到棧中
• 初始化處理器中的相關寄存器，將棧指針指向第一個空位置
• 條狀到啟動例程，該例程將參數復制到參數寄存器並且調用程序的main函數。