计算机组成原理--MIPS指令的表示和逻辑操作

Posted 2022-12-27 alanhe

计算机组成原理--10.5

1.计算机中指令的表示

前言：

指令在计算机内部是用高低电平表示的，并且看上去和数的表示是一样的。实际上，指令的各个部分都可以看成数，将这些数拼在一起就构成了指令。（实际上指令和数据的存储确确实实是一样的--都是二进制数）

在接下来的学习中需要用的部分的寄存器，所以在这里先做简单引入。

寄存器$s0~$s7映射到寄存器16~23，寄存器$t0~$t7映射到寄存器8~15.(这里s和t都只是标号，在之后的学习中我们会知道，s代表保留寄存器，t代表临时寄存器)

指令格式：

指令的布局形式叫做指令格式。

MIPS指令占32位，与数据字的位数相等。

数据字的定义:数据字，由于计算机使用的信息既有指令又有数据，所以计算机字可以代表指令，也可以代表数据。如果某字代表要处理的数据，则称为 数据字；如果某字为一条指令，则称为指令字-------百度百科

MIP字段：

op	rs	rt	rd	shamt	funct
6位	5位	5位	5位	5位	6位
操作码	操作数寄存器1	操作数寄存器2	目的寄存器	位移量（之后介绍）	功能码

这是一种三地址指令，rd存放的是操作的结果。

问题：如果有些指令需要常数的参与，例如取数操作那该怎么做？

可能一开始想到的答案就是，把数放在rs,rt,rd段中，需要用常数的时候的时候，把他从去字段中取出。

但实际上，这种操作方法会出现问题，当参与操作的常数>32（2^5）时就会出现超出范围的问题。因此又希望所有指令的长度一样，又希望能够有统一的指令格式，同时还要避免出现操作的常数太小的问题.......就出现了心得指令格式：

I型指令

前面所介绍的指令类型叫做R型指令，即寄存器型指令，I型指令为用于立即数的指令

op	rs	rt	constant or adress
6位	5位	5位	16位
操作码	操作数寄存器1	操作数寄存器2	常数或者地址

例如：

1 lw $s0,32($s3)  #取字指令
2                         #$3存放在rs中，$0存放在rt中，32存放在address字段
3                         #此时rt的意义已经发生了变化
4                         #rt：指明接收取数结果的寄存器    

 

四种操作方式所对应的指令格式：

指令	格式	op	rs	rt	rd	shamt	funct	address
add	R	0	reg	reg	reg	0	32(10)	n.a.
sub	R	0	reg	reg	reg	0	34(10)	n.a.
addi(立即数)	I	8(10)	reg	reg	n.a.	n.a.	n.a.	constant
lw	I	35(10)	reg	reg	n.a.	n.a.	n.a.	address

（reg代表使用寄存器，address代表16位地址，n.a.代表不出现)(add和sub的op是相同的，区分他们的是funct）

通过观察可以发现，R型和I型的前三个字段长度相等，并且名称也一样；I型格式的第四个字段和R型后三个字段长度之和相等。R型和I型虽然功能不同但是却构造很相似，而相关指令在二进制表示上的相似性可以简化硬件的设计。

 

补充：存储程序：将指令和数据以相同的方式存储，极大的简化了计算机系统。

1）指令用数的形式表达

2）和数一样程序存储在存储器中，并且可以读写

2.逻辑操作

逻辑左移与逻辑右移

之前在R型指令格式的介绍中，有一部分没有介绍--shamt字段（shift amount）

shamt字段用来表示偏移量，经常用于逻辑左移(sll)和逻辑右移(srl)中。

逻辑左/右移：把一个字里所有的位都向左/右移动，并在空出的地方补0

sll $t2,$s0,4   #reg $t2 = reg $s0 << 4 bits

op	rs	rt	rd	shamt	funct
0	0	16	10	4	0

逻辑左移还有额外的好处，左移i位= 数 * 2^i

按位与（AND）和按位或（OR）

AND提供了一种将源操作数置零的方法。

1 假设$t1
2 0000 0000 0000 0000 0000 1101 1100 0000
3 and $t0,$t1,$t2 #如果想把$t1第一字节置为0，那么就可以让$t2中相应位置为0
4 t2
5 0000 0000 0000 0000 0000 1101 0000 0000
6 #$t2可以叫做掩码

与AND对偶的操作是按位或(OR)

OR提供了一种将源操作数置一的方法，与AND相似，不再详细展开。

按位取反（NOT）

该操作只有一个操作数，把这个操作数中的1->0,0->1

MIPS中还有或非NOR（NOT OR）

XOR

相同取1，不同取0

 

 

3.决策指令

条件分支指令

相等条件分支

beg $s0,$s1,L1

若$s0和$s1中数值相等，则转到标签为L1的语句

不相等条件分支

bne $s0,$s1,L1

若.......不相等，则转到标签为L1的语句

无条件分支指令

当遇到这种指令时，程序必须分支

j L1

当遇到这条指令，则转到标签为L1的语句

例：用机器语言表示C语言程序1

1 if( i == j )
2     f = g + h;
3 else
4     f = g - h;

1 #$s3=i,$s4=j
2 #$s0=g,$s1=h,$s2=f
3 bne $s3,$s4,Else        #若i!=j 则转到Else
4 add $s0,$s1,$s2         #若i==j 则到这一步 f=g+h
5 j Exit                  #i==j段运行结束
6 Else: sub $s0,$s1,$s2   #i!=j f=g+h
7 Exit:                   #程序结束

选择用bne而不是beg，因为bne通过测试分支的相反条件来体跳过if语句后边的then部分，提高效率

case/switch

使用转移地址表：由代码中标签所对应的地址构成的数组

程序跳转-------->(索引)------>转移地址表-------->(地址)-------->寄存器---------->(加载地址)-------->完成

为了支持这种情况，计算机提供了寄存器跳转指令jr(jump regisiter)，用来无条件跳转到寄存器指定地址

（下下一节会详细介绍jr语句）

4.循环

LOOP标记循环

例：用机器语言表示C语言程序2

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

1 $t3=i,$t5=k，$6=save
2 LOOP:   sll $t1,$s3,2       #存放i的寄存器左移2位
3         add $t1,$t1,$t6     #把偏移地址与基址相加
4         lw  $t0,0($t1)      #取出save[i]中的数
5         bne $t0,$s5,Exit    #save[i]!=k->Exit
6         addi $s3,$s3,1      #i++
7         j   LOOP            #回到LOOP标记，重新运行
8 Exit:

i原本代表的是第i个数组元素，而按字节寻址是一次寻找一个字节

但为什么要把i*4？？？

 

小于则置位（set on less than）slt

若第一个寄存器小于第二个寄存器，则第三个寄存器置1，否则置0

1 slt $s0,$s3,$s4     #$s0 = 1 if $s3 < $s4
2 slti $t0,$s2,10     #$s0 = 1 if $s2 < 10

比较指令应该具有分清有符号数和无符号数的能力

有符号数操作(slt,slti)：最高位为1的数代表是一个复数，一定小于最高位为0

无符号数操作(sltu,sltiu)：最高位为1，一定大于所有最高位为0的数

补充：边界检查的捷径

1 sltu $t0,$s1,$s2                #$t0=0 if $s1 >= length or $s1 < 0
2 beg  $t0,$zero,IndoexOutofBounds