计算机指令
算术运算指令
add a, b, c# a = b + c
设计原则一——对指令进行规整化设置
- 简化实现
- 获得更高的性能，更低的成本
代码示例
- C语言代码
f = (g + h) - (i + j)
- MIPS
add t0, g, h # temp : t0 = g + h
add t1, i, j # temp : t1 = i + j
sub f, t0, t1 #final: f = t0 - t1
参与算术逻辑运算的变量必须是寄存器变量，对于MIPS(x 32)指令集来说，有32个寄存器，每个寄存器长 ，它们：
- 用于存储最常用到的变量
- 每个寄存器的编号为0~31
- 每个寄存器中32位数据称作一个字
约定符号：
- $t0,$t1,…,$t9 用于表示临时变量
- $s0,$s1,…,$s 7表示需要保存的变量
设计原则二——更小就会更快
- 倾向于将算术运算放到寄存器中运行，以加快速度
- 内存的存储单元通常是百万级的
前面的代码，根据约定符号进行矫正：
add $t0, $s1, $s2
add $t1, $s3, $s4
sub $s0, $t0, $t1
可以看到，在 指令集中，只有 个存储空间，这并不足以支持所有运算，所以很多的数据是存储在内存中的，我们将这些被储存在内存中的数据称为_Memory Operands。内存的操作数是用来保存复杂的操作数，这是由寄存器的空间过小导致的。
算数逻辑运算不能直接对内存中的数据进行运算，这就需要我们先从内存中读取(load)数据,然后再进行处理，最终再将操作的结果写入(write)内存。在对内存的操作中，都是通过字节寻址的(每八位分配一个地址)。值得注意的是，每个字节由 组成，而寄存器中每一位长度是 ，这就表明，我们在知道首地址的情况下，想要寻找第 个元素时，需要将偏移量 。
MIPS中数据的对齐方式是：大端对齐。什么是大端对齐呢？
- 存储一个数据，需要四个字节，这也就对应着内存上的四个存储单元。
- 这四个存储单元有他们相应的标号
- 高内存地址放整数的低位，低内存地址放整数的高位，这种方式叫正着放，术语叫大端对齐
- 与大端对齐相反的是小端对齐，说白了就是反着存
Memory Operand 小例子
C code
g = h + A[8]
其中，$s1 is g,$s2 is h,$s3 is the base address of A
MIPS code
lw $t0, 32($s3) # 读取A[8]，32来源于偏移量*4 = 8*4 = 32
add $s1, $s2, $t0
Memory Operand 小例子2
C code
A[12] = h + A[8]
其中，$s2 is h,$s3 is the base address of A
MIPS code
lw $t0, 32($s3)
add $t0, $s2, $t0
sw $t0, 48($s3)#写入
可以看出，寄存器和内存的交互主要通过 , 两条语句，进行数据的读取、写入，对于编译器而言，选择哪些变量放到寄存器中，哪些放到内存中，是非常关键的问题，同时也是非常困难的问题。
立即数
所谓立即数，即所使用的变量是一个常数，他是包含在指令中的。如:
addi $s3, $s3, 4
这就相当于C语言中的
s3 += 4;
立即数操作中没有减法，因为减掉一个数就相当于加上这个数的相反数，即：
addi $s3, $s3, -4
就可以完成C语言中如下功能
s3 -= 4;
**支持的数字范围：**立即数操作的常亮仅支持有符号的16位整数，即： 这个区间。如果需要一个32位整数，那么这个整数就只能被先放到内存中，然后再被寄存器读取。
这里就引出了第三个设计原则：加快高概率事件(Make the Common Case Fast)
-
小的常数是常用的
-
使用常用的数，不需要从内存中读取
数字的类型
-
无符号整数(unsigned int)
- 用于表示地址
- 或是非负数
-
有符号整数
- 正负数
-
浮点数
- 单精度浮点数(float)
- 双精度浮点数(double)
有符号数的表示
- 补码
- 源码
补码和源码之间有+0和-0的区别。
MIPS中特殊的取值——0
MIPS中0号寄存器永远为0，只能读取，不能写入。我们常用$zero来代表上述的零号计算器，利用这个寄存器，我们可以进行下面的操作：
add $t2, $s1, $zero
addi $t2, $zero, 100
事实上，MIPS中是没有初始化的方法的，在上面的代码中，我们用$s1的值初始化了$t2，然后将100赋值给$t2，这种语法的设计减少了很多冗余的语句。
有符号数和无符号数的表示
无符号二进制数计算公式:
这个老掉牙了，没啥好说的，一个长度为n的无符号二进制数，能表示
这个区间内的整数。
有符号数的表示：
- 源码的表示：最高为作为符号位
- 0代表符号为正
- 1代表符号为负
- 源码表示存在的问题：同时存在正0和负0
补码的表示：这一部分我之前看的时候基本上都是硬背的，现在听到这种讲法才恍然大悟（菜是原罪）
假设补码表示的二进制数有n位，标号为
，那么补码到十进制数的计算公式为：
它对应的取值范围是:
在整数运算中，大多数情况下，使用的是补码的形式。下面有一些特殊的补码数字（帮助理解用的，不用想哪里特殊）:
| 十进制 | 二进制 |
|---|---|
| 0 | 0000 0000 … 0000 |
| -1 | 1111 1111 … 1111 |
| 最小的数 | 1000 0000 … 0000 |
| 最大的数 | 0111 1111 … 1111 |
一般情况下，MIPS指令集下的运算都是对有符号数进行运算，除非你显式的告诉计算机要进行无符号数运算，需使用addu操作。
常见操作：
- 将数字取反：将数字的每一位取反，再对最后一位加1。
- 优点：可以用已有的加法电路，做简单的拓展即可作为减法电路使用。
- 符号位扩展：
- 应用场景：如:使用 指令时，得到的是一个16位数字，要将该数字拓展为32位数字，才可以与其他数字进行算术运算。
- 无符号数的拓展方法：
- 直接补零
- 有符号数的拓展方法：
- 正数：在数字前方补0
- 负数：在数字前方补1
指令的表示
还记得我们第一章的时候讲过，汇编语言多数时间执行着将高级语言翻译成机器语言(machine code) 工作。下面是一些寄存器名称和用途的的对应表：
其中，1号寄存器被称为$at，它是为汇编程序预留的；26-27号寄存器被称为$k0,$k1，他们是保留给操作系统的。
指令集分为六大类：
- 算数逻辑运算
- 内存访问
- 分支和跳转指令
- 浮点运算指令 --使用协处理器完成
- 内存管理指令
- 特殊指令
0-31号寄存器是我们（程序员）能够访问的到的寄存器，还有我们访问不到的寄存器：
- PC：用于存放当前程序正在执行的指令
- HI & LO：在乘除法运算时做临时储存
mips32中指令集架构的格式
R format
主要用途：用于表示算数逻辑运算，分为：
他们分别代表：
- op： 用于表示当前的操作类型
- rs,rt：表示用于运算的两个源操作数，对应寄存器的编号
- rd：目标操作数，对应寄存器的编号
- shamt：针对移位运算，记录移位的次数
- funct：是opCode的拓展
例子：
add $t0, $s1, $s2
对应的指令为：
| special | $s1 | $s2 | $t0 | 0 | add |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 17 | 18 | 8 | 0 | 32 |
| 000000 | 10001 | 10010 | 01000 | 00000 | 100000 |
I format
I-format可以用于之前的
操作、
或是条件跳转等指令。
其中
- rs/rt ：源操作或目标操作寄存器
- 在进行运算时：补码形式的二进制数
- 在进行寻址时：表示内存地址
设计规则四——Good design demands good compromises
这种设计方法看似折中、不利于译码，但将长度固定在了３２位，为了统一，增加了一部分译码的复杂性，达到了整体的统一，同时，这种设计方法，降低了后期电路设计的复杂性。
J format
后面再讲
冯诺依曼计算机设计的两个关键特性
１．指令和数据都是二进制串，无法区分
２．程序时能够被改写的
存储程序相关的基本概念：
-
程序可以被保存为二进制文件，这样的特性使得一个程序可以从一个电脑搬到另一个电脑上使用，这一个叫做“二进制的兼容性”（deepin-wine）
-
为了保证对已经编译好了的软件的继承，指令集架构应当围绕着少数几个大的指令集架构发展。
逻辑运算指令
一些对应的语言：
移位运算(Shift Operations)
| special | rs | rt | rd | shamt | funct |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 bits | 5 bits | 5 bits | 5 bits | 5 bits | 6 bits |
C语言中
$s1 = $s2 << 10;
$s1 = $s2 >> 10;
与MIPS中：
sll $1,$2,10
srl $1,$2,10
相同
其中： shamt-用于记录移动多少位
-
逻辑左移运算：
- 左移，并将空出来的部分用零填充
- 左移 位，相当于乘上
-
逻辑右移运算：
NOR运算
NOR就是not，or，这是一个三目运算符，使用方法如下:
nor $t0, $t1, $t2
这个运算表示
MIPS中没有单独的取反操作，如果想要对$t1取反存入到$t0中，方法如下：
nor $t0, $t1, $zero
在上述代码中，进行的是 的操作，其中，任何一个数和零进行或运算，还是他本身，再对它本身取反就可以得到 的结果。
条件指令（分支与循环）
常见的控制指令：
beq re, rt, L1
bne rs, rt, L1
j L1
他们对应的C语言语法是:
#beq re, rt, L1
if(re == rt){
goto L1;
}
#bne rs, rt, L1
if(re != rt){
goto L1;
}
#j L1，无条件跳转
goto L1;
跳转的目标指令，与当前的beq/bne之间，不能超过正负 ，同时，在写C和C++的时候除特殊情况外应当避免/减少goto语句的使用，因为使用goto语句不当可能会让程序表意不明，更加混乱。
一个小例子（选择结构）
老规矩，先看C/C++
if(i==j){
f = g + h;
}else {
f = g - h;
}
对应的MIPS
#s3 is i, s4 is j, s0 is f, s1 is g, s2 is h.
bne $s3, $s4, Else#判断i,j是否相等，若不等就直接跳过下面两行
add $s0, $s1, $s2#若相等，就继续执行到这一行，完成f=g+h
j Exit#执行完f = g - h之后跳过下一条语句直接退出
Else: sub $s0, $s1, $s2#执行f = g - h
Exit:
从上面的代码中可以看出，MIPS的标记本身并没有改变代码的执行顺序，仅仅是对某行代码做了标记而已，如果没有 三条语句的话，就算程序中有标记，MIPS还是会顺序执行的。
第二个例子（循环结构）
Ccode
while(save[i] == k) i += 1;
MIPS Code
#i is $s3, k is $s5, 地址被保存在$s6中
Loop: sll $t1, $s3, 2 #偏移量 = i * 4
add $t1, $t1, $s6# 当前地址= 起始地址 + 偏移量
lw $t0, 0($t1)#读取数据到t0
bne $t0, $s5, Exit
addi $s3, $s3, 1# s3 = s3 + 1
j Loop
Exit:
没啥好讲的了，自行体会。
更多条件指令
MIPS Code
slt rd, rs, rt
slti rt, rs, constant
C Code
#slt rd, rs, rt
if(rs < rt ){
rd = 1;
}else {
rd = 0;
}
#slti rt, rs, constant
if(re < constant){
rd = 1;
}else {
rd = 0;
}
这个语句可以和beq一起用，来进行在大于、小于等情况下的选择结构。
小练习
if(i>=j){
i = i + 1;
}else {
j = j + 1;
}
将上述代码转化成mips指令集中的code，i,j–>$s1,$s2
我的答案：
slt $t0, i, j # if i>=j 0
beq $t0, $zero, Else #if t0==zero --> i>=j goto Else:j=j+1,else go on
addi $s1, $s1, 1
j Exit
Else: addi $s2, $s2, 1
Exit: ...
有符号和无符号数字的比较
无符号数进行比较：
sltu,sltui，其实说白了就是后面加个u就是无符号数操作，再加个i就是常数操作。
函数的调用和函数的返回
基本块，是一个指令序列，在这个序列中是没有分支指令的，也没有其他分支指令的跳转指令。
函数调用的基本步骤：
- 将函数相关的参数放入寄存器中(load 指令或者是逻辑运算指令)
- 将寄存器的控制权交给函数相关的进程。关键
- 申请，并获得存储空间（堆栈）
- 执行函数中的指令
- 将返回的结果放回寄存器中关键
- 将结果返回到调用的地址中
jal ProcedureLabel
将寄存器控制权交给相关的进程：
将ProcedureLabel的下一个地址放到$ra中，然后跳转到目标地址。（这里$ra用于记录返回值返回到哪里）
jr $ra
将$ra复制到程序计数器中，这条语句也可以用于其他的跳转用途。
这段他讲的好抽象，我有点没听懂。
下面有一个实例。
Leaf Procedure Example（不调用其它函数的函数）
C Code
int leaf_example(int g, int h, int i, int j){
int f;
f = (g + h) - (i + j);
return f;
}
我就直接贴最后的代码了：
leaf_example：
addi $sp, $sp, -4#压栈，往下压四个字节
sw $s0, 0($sp)#将s0放入压好的栈中
add $t0, $a0, $a1
add $t1, $a2, $a3
sub $s0, $t0, $t1
add $v0, $s0, $zero#将结果放入用于返回的参数$v0中
lw $s0, 0($sp)#恢复$s0
addi $sp, $sp, 4#恢复堆栈位置
jr $ra#返回
说实话，除了jr都看懂了，那个确实没看懂。
None-Leaf Procedures（函数的嵌套调用）
调用者需要将一些信息存储到堆栈中：
- 被使用的寄存器($s0-$s7)
- 他的返回地址
- 在函数、过程中用到的临时变量
在返回之前，将堆栈中数据取出进行恢复。
if fact(int n){
if(n < 1){
return 1;
}
return n*fact(n-1);
}
对应的mips,参数n放到$a0中，结果放到$v0
fact:
addi $sp, $sp, -8
sw $ra, 4($sp)
sw $a0, 0($sp)
slti $t0, $a0, 1#判断是否小于1
beq $t0, $zero, L1#如果大于等于1，那么跳到后面去
addi $v0, $zero, 1#如果小于1，那么将1付给v0
addi $sp, $sp, 8#从栈空间中出栈两个
jr $ra#返回
L1:
addi $a0, $a0, -1#减一
jal fact# 从新跳转到fact部分去执行
lw $a0, 0($sp)#将堆栈中把两个参数取出
lw $ra, 4($sp)
addi $sp, $sp, 8#恢复堆栈
mul $v0, $a0, $v0#相乘
jr $ra#返回
栈上的变量
堆栈用于存储临时变量。
图中$sp指向堆栈可用地址，申请栈的时候，向下申请。$fp的存在使得便于恢复栈。
内存中一个程序分为不同的段：
- 代码段：用于存放指令
- 静态数据：执行过程中不会变的数据
- 堆：C语言中new出来的东东，需要手动释放
- 栈：临时变量
思考：
- 递归能否转循环
- 答案是可以的，就直接模拟它的栈
