计算机组成与设计---硬件/软件接口---指令: 计算机的语言

Posted 2021-08-11 FANCY PANDA

名字	示例	注释
32个寄存器	$ s0~ $ s7, $ t0~ $ t9, $ zero, $ a0~$ a3, $ v0 ~ $ v1, $ gp, $ fp, $ sp, $ra, $at	寄存器用于数据的快速取.在MIPS中，只能对存放在寄存器中的数据执行算术操作，寄存器$ zero的值恒为0，寄存器$at被汇编器保留，用于处理大的常数
2^30个存储器字	Memory[0], Memory[4], …Memory[4294967292]	存储器只能通过数据传输指令访问。MIPS使用字节编址，所以连续的字地址相差4。存储器用于保存数据结构、数组和溢出的寄存器

硬件设计的三原则：

• 简单源于规整
• 越小越快
• 优秀的设计需要适宜的折中方案

2.1计算机硬件的操作

• 加法和减法，都是三操作数
• • 两个源操作数，一个目的操作数
    add a, b, c # a = b + c
• 注释用#开头
• 所有的算术运算都是这样的形式
• 设计原则一：简单源于规整
• • 规整使实现简单
• • 简单能获得低成本高性能

2.2 计算机硬件的操作数

• 算术运算指令使用寄存器操作
• MIPS有32个32位 寄存器
• • 用于存储频繁使用的数据
• • 编号0 到31
• • 32位数码称为一个字
• 编译时名称的约定
• • $t0, $t1, …, $t9 表示临时寄存器
• • $s0, $s1, …, $s7 用于存储变量
• 设计原则二：越少越快
• • 对照主存：数以百万计的存储位置

2.2.1 存储器操作数

• 主存可以存储复杂数据
• • 数组，结构，动态数据
• 使用算术运算操作数
• • 从主存把数读入到寄存器
• • 把结果从寄存器存储到主存
• 存储器按字节编址
• • 每个地址表示一个8位字节
• 按字存放在内存
• • 每个地址必须是4个字节
• MIPS按大端编址
• • 高位存放在低地址
• • 对照小端模式：低位放到低地址

如果将一个16位的整数0x1234存放到一个短整型变量（short）中。这个短整型变量在内存中的存储在大小端模式由下表所示：

地址偏移	大端模式	小端模式
0x00	12（OP0）	34（OP1）
0x01	34（OP1）	12（OP0）

• 寄存器的访问速度比主存快得多
• 对主存储器数据的操作要用
• 取数指令lw (load word)
• 存数指令sw (store word)。
• • 需要执行更多的指令
• 编译器必须尽量使用寄存器访问变量
• • 仅当寄存器不够用时才把不经常使用的变量放到内存
• • 寄存器的高效利用对系统优化非常重要

2.2.2常数或立即数操作数

• 指令中使用常数
  addi $s3, $s3, 4（immediate）

• 没有减去立即数的减法指令

• • 可以使用负常数，即“加负数”实现减法
    addi $s2, $s1, -1

• 设计规则三：加速执行常用操作

• • 小常数操作出现的频率高
• • 立即数操作不用到内存取数

• MIPS寄存器0（$zero）表示常数0

• • 不能被改写

• 在常用的操作中，很有用

• • 例如，可在寄存器之间传送数据
    add $t2, $s1, $zero

2.3有符号数和无符号数

二进制无符号整数

范围: 0 to +2n – 1
二进制补码表示有符号整数
范围: –2n – 1 to +2n – 1 – 1

• 31位是符号位
• • 1表示负数
• • 0表示非负
• –(–2n – 1) 不能表示
• 非负数的无符号数和二进制补码是相同的
  有符号数（二进制补码）的取反
• 取反加1
• • 取反的含义1 → 0, 0 → 1
    

2.4 计算机中指令的表示

指令系统对指令系统的要求：

• 完备性: 指令齐全，编程方便
• 高效性：占内存少，运行省时
• 规整性：指令与运算规则统一
• 兼容性：新旧机指令软件兼容

MIPS字段：

- 指令字段

• • op: 操作码(opcode)
• • rs: 第一个源寄存器编号
• • rt: 第二个源寄存器编号
• • rd: 目的寄存器编号
• • shamt: 移位位数(00000 表示不移位)
• • funct: 功能码（扩展操作码）

R-型（寄存器）操作举例

add $t0, $s1, $s2

I型（立即数指令）

• 立即数的算术和读数/存数指令
• • rt: 目的或源寄存器编号
• • 常数的取值范围: –2^15 to +2^15 – 1
• • 地址：偏移加上rs中的基址
• 设计原则3：优秀的设计需要适宜的折中方案
• • 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

2.5 逻辑操作

• 对位进行处理的指令
• 用于对字中的若干 “位”
• 打包和拆包的操作

移位操作

• shamt: 移多少位
• 逻辑左移sll
• • 左移空位填0
• • 逻辑左移i位相当于乘2^i
• 逻辑右移srl
• • 逻辑右移空位填0
• • 逻辑右移i位相当于除2i（仅对无符号数）

“与”操作

• 可用于一个字中的掩码操作
• 选择某些位，其他位清零

and $t0, $t1, $t2

“或”操作

• 用于把包含字中的一些位置1，其他位不变
  or $t0, $t1, $t2

按位“取反”操作

• 用于改变字中的一些位

• • 0变成1,1变成0

• MIPS 3-操作数指令NOR

• • a NOR b == NOT ( a OR b ) “或非”
    nor $t0, $t1, $zero

2.6 决策指令

• 如果条件为真，跳转到被标签的指令执行
• • 否则，继续执行
• beq rs, rt, L1
• • if (rs == rt)转到标签为L1的指令执行
• bne rs, rt, L1
• • if (rs != rt)转到标签为L1的指令执行;
• j L1
• • 无条件跳转到标签为L1的指令执行

2.6.1循环

bne $s3, $s4, Else
add $s0, $s1, $s2
j Exit
Else: sub $s0, $s1, $s2
Exit: …

2.6. 2 case/switch 语句

	while (save[i] == k) 
 		 i += 1;

Loop: sll $t1, $s3, 2
add $t1, $t1, $s6
lw $t0, 0($t1)
bne $t0, $s5, Exit
addi $s3, $s3, 1
j Loop
Exit: …

2.7计算机硬件对过程的支持

2.7.1 使用更多的寄存器

寄存器的使用

• $a0 – $a3: 传递参数 (reg’s 4 – 7)
• $v0, $v1: 返回结果值 (reg’s 2 and 3)
• $t0 – $t9: 临时寄存器
• • 可以被调用者改写
• $s0 – $s7: 保存参数
• • 必须被调用者保存和恢复
• $gp: 静态数据的全局指针寄存器(reg 28)
• $sp: 栈指针寄存器stack pointer (reg 29)
• $fp: 帧指针寄存器(frame pointer) ， 保存过程帧的第一个字 (reg 30)
• $ra:返回地址寄存器 return address (reg 31)

过程调用指令

• 过程调用：跳转和链接
  jal ProcedureLabel
• 下一条指令的地址在寄存器$ra中
• 跳转到目标地址
• 过程返回:寄存器跳转 jump register
  jr $ra
• 拷贝$ra到程序计数器
• 也被用于运算后跳转

2.8 MIPS中32位立即数和寻址

2.9.1 32位立即数

• lui rt, constant
• 取立即数并放到高16位
  

注：Ori立即数或，$ s0与常数2304“或”，结果放在$s0形成一个32位的常数

2.9.2分支和跳转中的寻址

分支指令说明

• -操作码，两个寄存器，两个地址
• 大多数跳转目标离跳出的位置较近
• 向前或向后
  
  PC相对寻址
• 目标地址 = PC + offset × 4
• 此时PC的增加量是4的倍数

跳转（j和jal）的目标地址可以在代码段的任何位置

• 指令除op外，指令其它字段都是地址
  
• 直接跳转到地址
• Target address = PC31…28 : (address × 4)

2.8.3 MIPS寻址模式总结

2.9并行与指令：同步

• 处理器共享存储器同一区域
• P1 写, P2 读
• （任务1写的结果是任务2要读取得值）
• 如果P1和P2不同步，将发生数据竞争
• 结果由访问次序决定
• 依赖硬件提供同步指令
• 例如：lock和unlock指令，控制一个“互斥区”
• 原子读/写内存操作
• 在读和写之间，不再允许对该空间的其他操作
• 可以是单一的指令
• 例如寄存器和内存之间的原子交换
• 或者指令的原子配对

2.10 翻译并执行程序

编译器：编译器将C程序转换成一种机器能理解的符号形式的汇编语言程序

汇编器：

• 汇编器（或编译器）把程序翻译成机器语言提供从部分构建完整程序的信息
• 目标文件头：描述目标文件其他部分的大小和位置
• 正文段：翻译后的指令，包含机器语言代码
• 静态数据段：包含在程序生命周期内分配的数据
• 重定位信息：标记了一些程序加载进内存时依赖于绝对地址的指令和数据
• 符号表：全局定义和外部引用
• 调试信息：用于关联源文件

链接器：
产生一个可执行的映像

1. 合并段（代码和数据数据库象征性放入内存）
2. 决定数据和指令标签的地址
3. 修补引用（内部和外部引用）

可以留下依靠重定位程序修复的部分

1. 但虚拟内存，不需要做这些
2. 虚拟内存空间，程序必须以绝对地址装入

加载器
把待执行的程序从硬盘的镜像文件读入内存

1. 读取可执行文件头来确定正文段和数据段的大小
2. 为正文和数据创建一个足够大的地址空间
3. 把指令和初始数据拷贝到内存或者设置页表项,使它们可用
4. 把主程序的参数复制到栈顶
5. 初始化寄存器（包括堆栈指针$sp,帧指针$fp, 全局指针$gp ）
6. 跳转到启动进程

• • 复制参数到寄存器并调用主函数main
• • 主函数返回时，通过系统调用exit终止程序

动态链接库：
调用时，只是连接或装入库文件

• 过程代码重定位；
• 避免所有程序中出现的链接库；但是这些库的信息是一次性代入内存，占用内存空间。只是在用到的时候才链接该库；
• 自动装入最新的编译器中的版本的动态库。

2.11 数组与指针

2.11.1 用数组实现clear

2.11.2 用指针实现clear

2.11.3 比较两个版本的clear

• 乘指令长度的操作变成移位操作

• • 下标计算用i的自增操作
• • 相对于而后者 增加指针

• 编译器可以获得和手动使用指针相同的效果

• • 引导变量删除
• • 可以使程序更清晰，更安全

计算机组成与设计—硬件/软件接口—计算机概要与技术

计算机组成与设计—硬件/软件接口—计算机的算术运算

计算机组成与设计—硬件/软件接口—处理器

计算机组成与设计—硬件/软件接口—大容量和高速度:开发存储器层次结构