Ch5: Instruction Set 指令系统 第1讲：指令系统的设计 第2讲：程序的机器级表示

第一讲 指令系统设计 主 要 内 容 一条指令必须指定的信息 指令中的地址码个数 指令系统设计的基本原则 指令类型 数据类型 主 要 内 容 一条指令必须指定的信息 指令中的地址码个数 指令系统设计的基本原则 指令类型 数据类型 寄存器组织 存储器组织 操作数的寻址方式 立即 / 寄存器 / 寄存器间接 / 直接 / 间接 / 堆栈 / 偏移 操作码的编码 定长编码法 变长扩展编码法 条件码和标志寄存器 指令设计风格 指令系统举例

Instruction Set Design 指令系统处在软/硬件交界面，能同时被硬件设计者和系统程序员看到 硬件设计者角度：指令系统为CPU提供功能需求（易于硬件设计） 系统程序员角度：通过指令系统来使用硬件，要求易于编写编译器） 指令系统设计的好坏还决定了：计算机的性能和成本 instruction set software hardware 回顾：冯.诺依曼结构机器对指令规定： 用二进制表示，和数据一起存放在主存中 由两部分组成：操作码和操作数（或其地址码） Operation Code: defines the operation type Operands: indicate operation source and destination

Instruction Set Architecture Programmer's View Program (Instructions& Data) ADD SUBTRACT AND OR COMPARE . 01010 01110 10011 10001 11010 . CPU Memory Computer's View I/O Princeton (Von Neumann) Architecture Harvard Architecture --- 数据和指令存放在同一个存储器中 -- 存储空间利用率高 -- 统一的访问接口 --- 数据和指令存放在不同存储器 -- 存储访问效率高 -- 有利于流水线执行

一条指令须包含的信息 一条指令必须明显或隐含地包含以下信息： 操作码：指定操作类型 (操作码长度：固定／可变) 源操作数参照：一个或多个源操作数所在的地址 (操作数来源：主(虚)存/寄存器/I/O端口/指令本身） 结果值参照：产生的结果存放何处 (结果地址：主(虚)存/寄存器/I/O端口) 下一条指令地址：下条指令存放何处 (下条指令地址 ：主(虚)存) (正常情况隐含在PC中，改变顺序时由指令给出）

地址码字段的个数 据上述分析知,一条指令包含１个操作码和多个地址码 零地址指令 (1) 无需操作数 如：空操作／停机等 (1) 无需操作数　如：空操作／停机等 (2) 所需操作数为默认的　如：堆栈／累加器等 形式： 一地址指令 其地址既是操作数的地址，也是结果的地址 (1) 单目运算：如：取反／取负等 (2) 双目运算：另一操作数为默认的　如：累加器等 OP OP A1 二地址指令（最常用） 分别存放双目运算中两个操作数，并将其中一个地址作为结果的地址。 形式： 三地址指令（RISC风格） 分别作为双目运算中两个源操作数的地址和一个结果的地址。 多地址指令 大中型机中用于成批数据处理的指令,如:向量 / 矩阵等 A1 OP A2 A2 A3 OP A1

从指令执行周期看指令设计涉及的问题 Instruction Obtain instruction from program storage Fetch Obtain instruction from program storage 指令地址、指令长度（定长/变长） Instruction Decode Determine required actions 指令格式、操作码编码、操作数类型 Operand Fetch Locate and obtain operand data 地址码格式、寻址方式、操作数格式和存放方式 Compute result value or status Execute 操作类型、标志或条件码 Result Store Deposit results in storage for later use 结果数据位置 Next Instruction Determine successor instruction 下条指令地址（顺序 / 转移）

指令格式的设计 一般通过对操作码的不同编码定义不同的含义，操作码相同时，再由功能码定义不同的含义! 指令格式的选择应遵循的几条基本原则： 应尽量短 要有足够的操作码位数 指令编码必须有唯一的解释，否则是不合法的指令 指令字长应是字节的整数倍 合理地选择地址字段的个数 指令尽量规整 与指令集设计相关的重要方面 操作码的全部组成：操作码个数/种类/复杂度 LD/ST/INC/BRN 四种指令已足够编制任何可计算程序，但程序会很长 数据类型：对哪几种数据类型完成操作 指令格式：指令长度/地址码个数/各字段长度 通用寄存器：个数/功能/长度 寻址方式：操作数地址的指定方式 下条指令的地址如何确定：顺序，PC+1；条件转移；无条件转移；…… 一般通过对操作码的不同编码定义不同的含义，操作码相同时，再由功能码定义不同的含义!

Typical Operations(典型的操作) Data Movement Load (from memory) Store (to memory) memory-to-memory move register-to-register move push, pop (to/from stack) input (from I/O device) output (to I/O device) Input/Output Arithmetic integer (binary + decimal) or FP Add, Subtract, Multiply, Divide adc(带进位加)，sbb (带借位减) Logical not, and, or, set, clear (arithmatic,logic,rotate)left/right shift Shift String search, translate Exec-Seq control Jump, branch CPU control stop, sti(开中断), break Subroutine Linkage call, return Interrupt trap, interrupt return Synchronization test & set (atomic r-m-w)

操作数类型和存储方式 操作数是指令处理的对象，其基本类型有： 地址 被看成无符号整数，用来参加运算，以确定主(虚)存地址 数值数据 定点数(整数)：一般用二进制补码表示 浮点数(实数)：大多数机器采用IEEE754标准 十进制数：一般用NBCD码表示，压缩/非压缩 位、位串、字符和字符串 用来表示文本、声音和图像等 4 bits is a nibble（一个十六进制数字） 8 bits is a byte 16 bits is a half-word 32 bits is a word 逻辑(布尔)数据 按位操作（0-假／1-真）

Pentium & MIPS Data Type 基本类型： 字节、字(16位)、双字(32位)、四字(64位) 整数： 16位、32位、64位三种2-补码表示的整数 18位压缩8421 BCD码表示的十进制整数 无符号整数（8、16或32位） 近指针：32位段内偏移（有效地址） 浮点数：IEEE 754（80位扩展精度浮点数寄存器） MIPS 字节、半字(16位)、字(32位)、四字(64位) 整数： 16位、32位、64位三种2-补码表示的整数 无符号整数：（16、32位） 浮点数：IEEE 754（32位/64位浮点数寄存器）

Addressing Modes（寻址方式） 什么是“寻址方式”？ 操作数指定方式。即：用来指定操作数或操作数所在位置的方法 地址码编码由操作数的寻址方式决定 地址码编码原则： 指令地址码尽量短 操作数存放位置灵活，空间应尽量大 有效地址计算过程尽量简单 为什么？ 目标代码短，省空间 有利于编译器优化产生高效代码 指令执行快 指令的寻址----简单 正常：PC增值 跳转 ( jump / branch / call / return )：同操作数的寻址 操作数的寻址----复杂 操作数来源：寄存器 / 外设端口 / 主(虚)存 / 栈顶 操作数结构：位 / 字节 / 半字 / 字 / 双字 / 一维表 / 二维表 /… 通常寻址方式特指“操作数的寻址”

Addressing Modes 寻址方式的确定 （1）在操作码中给定寻址方式 如：MIPS指令，指令中仅有一个主(虚)存地址，且指令中仅有一二种寻址方式。Load/store型机器指令属于这种情况。 （2）有专门的寻址方式位 如：X86指令，指令中有多个操作数，且寻址方式各不相同，需要各自说明寻址方式。 有效地址的含义 通过指令计算得到的操作数地址 基本寻址方式 立即 / 直接 / 间接 / 寄存器 / 寄存器间接 / 偏移 / 堆栈 基本寻址方式的算法及优缺点 （见下页）

基本寻址方式的算法和优缺点 指令：OP A，R，...... 假设：A=地址字段值，R=寄存器编号， EA=有效地址， (X)=地址X中的内容 方式 算法 主要优点 主要缺点 立即 操作数=A 指令执行速度快 操作数幅值有限 直接 EA=A 有效地址计算简单 地址范围有限 间接 EA=(A) 有效地址范围大 多次存储器访问 寄存器 操作数=(R) 指令执行快，指令短 地址范围有限 寄间接 EA=(R) 地址范围大 额外存储器访问 偏移 EA=A+(R) 灵活 复杂 堆栈 EA=栈顶 指令短 应用有限 偏移方式：将直接方式和寄存器间接方式结合起来。 有：相对 / 基址 / 变址三种 （见后面几页！） 问题：以上各种寻址方式下，操作数在寄存器中还是在存储器中？有没有可能在磁盘中？什么情况下，所取数据在磁盘中？ 只有当操作数在存储器中时，才有可能“缺页”，此时操作数就在磁盘中！

偏移寻址方式 OP R A A + 存储器 ...... 指令中给出的地址码A称为形式地址 寄存器堆 操作数 寄存器堆 偏移寻址：EA=A+(R) R可以明显给出，也可以隐含给出 R可以为PC、基址寄存器B、变址寄存器I 相对寻址： EA=A+(PC) 相对于当前指令处位移量为A的单元 基址寻址： EA=A+(B) 相对于基址(B)处位移量为A的单元 变址寻址： EA=A+(I) 相对于首址A处位移量为(I)的单元

偏移寻址方式 相对寻址 指令地址码给出一个偏移量(带符号数)，基准地址隐含由PC给出。 即：EA=(PC)+A （ex. MIPS’s instruction: Beq） 可用来实现程序(公共子程序)的浮动，或指定转移目标地址 注意：当前PC的值可能是正在执行指令的地址或下条指令的地址 基址寻址 指令地址码给出一个偏移量，基准地址明显或隐含由基址寄存器B给出。即：EA=(B)+A （ex. MIPS’s instructions: lw / sw） 可用来实现多道程序重定位，或过程调用中参数的访问 变址寻址 指令地址码给出一个基准地址，而偏移量(无符号数)明显或隐含由变址寄存器I给出。即：EA=(I)+A 可为循环重复操作提供一种高效机制，如实现对线形表的方便操作 SKIP

相对寻址实现公共子程序的浮动和相对转移 公共子程序 100 ADD AX, . +1 120 101 ADD AX, . +1 250 “ . ” 表示相对寻址方式 公共子程序 100 ADD AX, . +1 120 101 ADD AX, . +1 250 ADD AX, . +1 120 251 50 120 51 子程序内地址关系相对独立，与用户程序的地址无关，不管浮动到哪里，总是实现AX和120相加 问题：采用相对寻址的转移指令有两个字节，第一字节是OP，第二字节是位移量D，用补码表示，则转移目标地址相对于转移指令的范围为多少？ 若转移指令地址为2000H，转移目标地址为1FF0H，总是在取指令同时对PC增量，则转移指令第二字节位移量为多少？ BACK 存储器 -128～+127 ？ 不知道！ 只有确定了按字/字节编址、位移量D是指令条数/单元数，才能确定目标地址。 当按字节编址且D为单元数时，转移目标地址= (PC+2)+ D 1FF0H – 2002H = EEH（-18）？ 不知道！

基址寻址实现程序重定位 ADD AX, #51 50 100 ADD AX, #51 120 51 150 120 151 存储器 用户程序1 ADD AX, #51 50 100 基址为100 ADD AX, #51 120 51 150 120 151 用户程序2 SUB AX, #51 40 200 基址为200 SUB AX, #51 240 130 51 130 251 “ # ” 表示基址寻址方式 每个用户程序装入系统后都有一个基址，基址寻址操作数在相对于基址的偏移单元中，所以虽然偏移都是51，但操作数不同。 BACK

变址寻址实现线性表元素的存取 A=100 变址器I A[0] A[1] A[2] A[3] 自动变址 假定一维数组A从内存100号单元开始 指令中的地址码A给定数组首址，变址器I每次自动加/减数组元素的长度x。 EA=( I )+A I=( I ) ± x 在元素地址从低→高地址增长时，“+”； 在元素地址从高→低地址增长时，“-” 在没有硬堆栈的情况下，用它来建立软堆栈 可提供对线性表的方便访问 假定一维数组A从内存100号单元开始 A=100 变址器I A[0] A[1] A[2] A[3] 存储器 若每个元素为一个字节，则 I=(I) ± 1 若每个元素为4个字节，则 I=(I) ± 4 BACK

位、字节和块的寻址 寻址方式Addressing Modes 位寻址 字节寻址 块寻址 当需要对寄存器或内(虚)存中单独一位进行操作(如：置位/复位/测试等)时，需要进行位寻址。 指令中必须隐含或明显地给出位指针。 字节寻址 当操作数为一个字节时，指令必须对字节进行定位。 字节编址时，指令须给出访问的是字节 / 半字 / 字 / 双字… 字编址时，指令须给出是否为字节访问，并指出是哪个字节 （目前基本都采用字节编址） 块寻址 当需对一个信息块进行操作时，指令必须对块定位。(如：VAX11/780) 指令须给出：首址+长度 / 首址+末址 / 首址+末端标志

Addressing Modes（寻址方式的汇编表示） Example Meaning Immediate Add R4,3 R4 ¬ R4+3 Register Add R4,R3 R4 ¬ R4+R3 Register indirect Add R4,(R1) R4 ¬ R4+Mem[R1] Displacement Add R4,100(R1) R4 ¬ R4+Mem[100+R1] Indexed Add R3,(R1+R2) R3 ¬ R3+Mem[R1+R2] Direct or absolute Add R1,(1001) R1 ¬ R1+Mem[1001] Memory indirect Add R1,@(R3) R1 ¬ R1+Mem[Mem[R3]] Auto-increment Add R1,(R2)+ R1 ¬ R1+Mem[R2]; R2 R2+d P115: In early days, base register is called index register because it is used to store index while offset means base address How to pronounce # ? What is the meaning of d in the last 3 lines? Is it supposed to be the length of one word? Auto-decrement Add R1,–(R2) R2 ¬ R2– d; R1 R1+Mem[R2] Scaled(乘比例因子) Add R1,100(R2)[R3] R1 ¬ R1+Mem[100+R2+R3*d] 上述形式是一种示意性表示，不同系列处理器的汇编表示形式不同！

Instruction Format(指令格式) 操作码的编码有两种方式 - Fixed Length Opcodes (定长操作码法) - Expanding Opcodes (扩展操作码编法) instructions size 代码长度更重要时：采用变长指令字、变长操作码 性能更重要时：采用定长指令字、定长操作码 为什么？ 变长指令字和操作码使机器代码更紧凑；定长指令字和操作码便于快速访问和译码。学了CPU设计就更明白了。 问题：是否可以有定长指令字、变长操作码？定长操作码、变长指令字呢？ 实际上，指令长度是否可变与操作码长度是否可变没有绝对关系，但通常是 “定长操作码、但不一定是定长指令字”、 “变长操作码、一般是变长指令字”。

定长编码Fixed Length Opcodes 基本思想 指令的操作码部分采用固定长度的编码 如：假设操作码固定为6位，则系统最多可表示64种指令 特点 译码方便，但有信息冗余 举例 IBM360/370采用: ８位定长操作码，最多可有256条指令 只提供了183条指令，有73种编码为冗余信息 机器字长32位，按字节编址 有16个32位通用寄存器，基址器B和变址器X可用其中任意一个

IBM370指令格式 8 4 12 第1个半字 第2个半字 第3个半字 RR型 OP R1 R2 RX型 X RS型 R3 SI型 I SS型 B D L B1 D1 B2 D2 Ri：寄存器 X：变址器 Bi：基址器 Di：位移量 I：立即数 L：数的长度 RR：寄存器 - 寄存器 SS：基址存储器 - 基址存储器 RX：寄存器 - 变址存储器 SI：基址存储器 - 立即数 RS：寄存器 – 基址存储器

扩展编码Expanding Opcodes 基本思想 将操作码的编码长度分成几种固定长的格式。被大多数指令集采用。PDP-11是典型的变长操作码机器。 种类 等长扩展法：4-8-12；3-6-9；…... / 不等长扩展法 举例说明如何扩展 设某指令系统指令字是16位，每个地址码为6位。若二地址指令15条，一地址指令34条，则剩下零地址指令最多有多少条？ 解:操作码按短到长进行扩展编码 二地址指令: (0000 ～ 1110) 一地址指令: 11110 (00000 ～ 11111); 11111 (00000 ～ 00001) 零地址指令: 11111 (00010 ～ 11111) (000000 ～ 11111) 故零地址指令最多有 30x26=15x27 种

PDP-11中典型指令格式 OP S D 存储地址 4 6 16 R 7 3 8 2 X 10 13 FP 8 2 X 10 13 S、D：3位指定寻址方式，3位为寄存器编号 R：8个通用寄存器之一 FR：4个浮点寄存器之一 X：位移 采用专门的寻址方式字段

Methods of Testing Condition (条件测试方式) ° 条件转移指令通常根据Condition Codes (条件码 / 状态位 / 标志位)转移 通过执行算术指令或显式地由比较和测试指令来设置 ex: sub r1, r2, r3 ;r2和r3相减, 结果在r1中，并生成标志位ZF、CF等 bz label ;标志位ZF=1时，转移到label处执行 °常用的标志有四种： NF(SF) -- negative VF(OF) -- overflow CF -- carry ZF -- zero ° 标志位可存放在标志(Flag)寄存器（条件码CC寄存器 / 状态Status寄存器 / 程序状态字PSW寄存器）中 也可由指定的通用寄存器来存放状态位 Ex: cmp r1, r2, r3 ;比较r2和r3, 标志位存储在r1中 bgt r1, label ;判断r1是否大于0，是则转移到label处 ° 可以将两条指令合成一条指令，即：计算并转移 Ex: bgt r1, r2, label ;根据r1和r2比较结果，决定是否转移 不同处理器，对标志位的处理不同！

指令设计风格 -- 按操作数位置指定风格来分 Accumulator: (earliest machines) 累加器型 特点：其中一个操作数总在累加器中 1 address add A acc  <- acc + mem[A] 1(+x) address add x A acc <- acc + mem[A + x] Stack: (e.g. HP calculator, Java virtual machines) 堆栈型 特点：总是将栈顶两个操作数进行运算，指令无需指定操作数地址 0 address add tos <- tos + next General Purpose Register: (e.g. IA-32, Motorola 68xxx) 通用寄存器型 特点：操作数可以是寄存器或存储器数据 2 address add A B EA(A) <- EA(A) + EA(B) 3 address add A B C EA(A) <- EA(B) + EA(C) Load/Store: (e.g. SPARC, MIPS, PowerPC) 装入/存储型 特点：操作数只能是寄存器数据，只有load/store能访问存储器 3 address add Ra Rb Rc Ra <- Rb + Rc load Ra Rb Ra <- mem[Rb] store Ra Rb mem[Rb] <- Ra For General Purpose Register: EA(A) means A might be a memory address as well as a register address.

Comparing Instructions ° Code sequence for C = A + B for four classes of instruction sets: Stack Accumulator Register (register- memory) (load - store) Push A Load A Load R1,A Push B Add B Add R1,B Load R2,B Add Store C Store C, R1 Add R3,R1,R2 Pop C Store C,R3 Comparison: Bytes per instruction? Number of Instructions? Cycles per instruction? 指令条数较少 复杂表达式时，累加器型风格指令条数变多，因为所有运算都要用累加器，使得程序中多出许多移入 / 移出累加器的指令！ 75年开始，寄存器型占主导地位 ( Java Virtual Machine 采用Stack型) 寄存器速度快，使用大量通用寄存器可减少访存操作 表达式编译时与顺序无关（相对于Stack）

Examples of Register Usage 每条典型ALU指令中的存储器地址个数 每条典型ALU指令中的最多操作数个数 Examples 3 SPARC, MIPS, Precision Architecture, Power PC 1 2 Intel 80x86, Motorola 68000 2 2 VAX (also has 3-operand formats) 3 3 VAX (also has 2-operand formats) In VAX(CISC): ADDL (R9), (R10), (R11) mem[R9] <-- mem[R10] + mem[R11] 一条指令！ In MIPS(RISC): lw R1, (R10) #load a word lw R2, (R11) add R3, R1, R2 #R3 <-- R1+R2 sw R3, (R9) #store a word 四条指令！ 哪一种风格更好呢？学了第6和第7章后会有更深的体会！

指令设计风格 – 按指令格式的复杂度来分 按指令格式的复杂度来分，有两种类型计算机： 复杂指令集计算机CISC (Complex Instruction Set Computer) 精简指令集计算机RISC (Reduce Instruction Set Computer) 早期CISC设计风格的主要特点 (1) 指令系统复杂 指令多 / 寻址方式多 / 指令格式多 (2) 指令周期长 绝大多数指令需要多个时钟周期才能完成 (3) 各种指令都能访问存储器 除了专门的存储器读写指令外，运算指令也能访问存储器 (4) 采用微程序控制 (5) 有专用寄存器 (6) 难以进行编译优化来生成高效目标代码 例如，VAX-11/780小型机 16种寻址方式；9种数据格式；303条指令； 一条指令包括1～2个字节的操作码和下续N个操作数说明符。一个说明符的长度达1 ～10个字节。

复杂指令集计算机CISC CISC的缺陷 日趋庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，而且难以保证设计的正确性，难以调试和维护，并且因指令操作复杂而增加机器周期，从而降低了系统性能。 1975年IBM公司开始研究指令系统的合理性问题，John Cocks提出精简指令系统计算机 RISC ( Reduce Instruction Set Computer )。 对CISC进行测试，发现一个事实： 在程序中各种指令出现的频率悬殊很大，最常使用的是一些简单指令，这些指令占程序的80%，但只占指令系统的20%。而且在微程序控制的计算机中，占指令总数20%的复杂指令占用了控制存储器容量的80%。 1982年美国加州伯克利大学的RISCⅠ，斯坦福大学的MIPS，IBM公司的IBM801相继宣告完成，这些机器被称为第一代RISC机。

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RISC设计风格的主要特点 (1) 简化的指令系统 指令少 / 寻址方式少 / 指令格式少 / 指令长度一致 (2) 以RR方式工作 除Load/Store指令可访问存储器外，其余指令都只访问寄存器。 (3) 指令周期短 以流水线方式工作， 因而除Load/Store指令外，其他简单指令都只需一个或一个不到的时钟周期就可完成。 (4) 采用大量通用寄存器，以减少访存次数 (5) 采用组合逻辑电路控制，不用或少用微程序控制 (6) 采用优化的编译系统，力求有效地支持高级语言程序 MIPS是典型的RISC处理器，82年以来新的指令集大多采用RISC体系结构 Intel x86因为“兼容”的需要，保留了CISC的风格，同时也借鉴了RISC思想

指令系统举例: Address & Registers 20 Intel 8086 VAX 11 MC 68000 MIPS 2 x 8 bit bytes AX, BX, CX, DX SP, BP, SI, DI CS, SS, DS IP, Flags 2 x 8 bit bytes 16 x 32 bit GPRs 8 x 32 bit GPRs 7 x 32 bit addr reg 1 x 32 bit SP 1 x 32 bit PC 32 x 32 bit GPRs 32 x 32 bit FPRs HI, LO, PC acc, index, count, quot stack, stack frame, string code,stack,data segment r15-- program counter r14-- stack pointer r13-- frame pointer r12-- argument pointer 32 24 32 HI和LO是MIPS内部的乘商寄存器 问题：谁记得GPR是什么？Flags是什么？

指令系统举例：Pentium指令格式 问题: 是累加器型、通用寄存器型、ld/st型？是CISC型、RISC型？ 前缀：包括指令、段、操作数长度、地址长度四种类型 指令：指出操作类型和操作数（或地址），含操作码、寻址方式、SIB、位移量和直接数据五部分 位移量和立即数都可是1/2/4B。SIB中基址B和变址I都可是8个GRS中任一个。SS给出比例因子 操作码：opcode; w：与机器模式（16 / 32位）一起确定寄存器位数（AL / AX / EAX）; d：操作方向 寻址方式： mod、r/m、 reg/op三个字段与w字段和机器模式一起确定操作数所在的寄存器编号 或有效地址计算方式 变长指令字：1B~17B 变长操作码：4b / 5b / 6b / 7b / 8b /…… 变长操作数：Byte / Word / DW / QW 变长寄存器：8位 / 16位 /32位 调用指令自动把返回地址压栈 专门的push/pop指令，自动修改栈指针 ALU指令在Flags中隐含生成条件码 ALU指令中的一个操作数可来自存储器 提供基址加比例索引寻址 问题: 是累加器型、通用寄存器型、ld/st型？是CISC型、RISC型？

（自学）Pentium处理器的寻址方式 操作数的来源： 指令中的信息： 立即数(立即寻址)：直接来自指令 寄存器(寄存器寻址)：来自32位 / 16位 / 8位通用寄存器 存储单元(其他寻址)：需进行地址转换 虚拟地址 => 线性地址LA ( => 内存地址) 分段 分页 指令中的信息： (1) 段寄存器SR（隐含或显式给出） (2) 8/16/32位偏移量A （显式给出） (2) 基址寄存器B （明显给出，任意通用寄存器皆可） (3) 变址寄存器I （明显给出，除ESP外的任意通用寄存器皆可。） 有比例变址和非比例变址 比例变址时要乘以比例因子S (1:8位 / 2:16位 / 4:32位 / 8:64位)

（自学） Pentium处理器寻址方式 寻址方式 算法 立即(地址码A本身为操作数) 操作数=A 寄存器(通用寄存器的内容为操作数) 基址(地址码B给出基址器编号) 基址带偏移量(一维表访问) 比例变址带偏移量(一维表访问) 基址带变址和偏移量(二维表访问) 基址带比例变址和偏移量(二维表访问) 相对(给出下一指令的地址，转移控制) 操作数=A 操作数= (R) LA=(SR)+A LA=(SR)+(B) LA=(SR)+(B)+A LA=(SR)+ (I)xS+A LA=(SR)+(B)+(I) +A LA=(SR)+(B)+(I)xS+A 转移地址=(PC)+A

（ 自学）Pentium处理器的存储器寻址 段寄存器 基址寄存器 线性地址空间 变址寄存器 SS 段选择符 x CS 比例因子1/2/4/8 基址 段表项(段描述符 ) 段限 偏移量8/16/32位 + 有效地址 + 存取权限 线性地址 段限 需要时再对线性地址空间进行分页处理。 基地址

指令系统举例: PowerPC RISC型 （类似于MIPS，32位定长操作码、定长指令字），主要不同在于: 提供了特殊的两种变址寻址方式，可减少指令数 两个寄存器相加变址（基址寄存器和索引寄存器：间接变址寻址） 例：add $t0,$a0,$s3 lw &t1,0($t0) 自动变址（变址器自动+1） 例： lw &t0, 4($s3) addi $s3,$s3,4 引入特殊的数据块指令，可减少指令数 单条指令可传送多达32个字，并可进行存储区数据传送 提供一个特殊计数寄存器ctr，自动减1，用于循环处理 例：for (i=n; i!=0; i=i-1) { }; Loop: …… addi $t0,$t0,-1 bne &t0, $zero, loop lw $t1,$a0+$s3 lwu $t0, 4($s3) Loop: …… bc loop, ctr!=0 SKIP

MMX(Microprocessor Media Extension)指令技术 图形/像、音/视频多媒体信息处理特点 多个短整数并行操作（如8位图形像素和16位音频信号） 频繁的乘-累加（如FIR滤波，矩阵运算） MMX的出发点 使用专门指令对大量数据进行并行、复杂处理 处理的数据基本单位是8b、16b、32b、64b等 MMX指令集由Intel提出，1997年首次用于P54C Pentium处理器 引入新的数据类型和通用寄存器 四种64位紧缩定点整数类型（8x1B、4x1W、2x2W、1x4W） 8个64位通用寄存器MX0～MX7（借用8个80位浮点寄存器） 采用SIMD（Single Instruction Multi Data）技术 单条指令同时并行处理多个数据元素 例如，一条指令完成图像中8个像素的并行操作 引入饱和（Situration）运算 非饱和（环绕）运算：上溢时，高位数据被截去；饱和运算：上溢时，结果取最大值 如图像像素点插值运算：若a点亮度F3H，b点亮度1DH，对a和b线性插值的结果为： 环绕运算：(F3H+1DH)/2=10H/2=08H 插值点的亮度比1DH还低，不合理！ 饱和运算： (F3H+1DH)/2=FFH/2=7FH 合理 在Intel以后的处理器中又增加了SSE、SSE2、SSE3等指令集 SSE（Streaming SIMD extensions） SIMD（Single Instrution Multi Data）：单指令多数据技术

第一讲小结 指令由“操作码”和“地址码”两部分组成。 操作类型 传送 / 算术 / 逻辑 / 移位 / 字符串 / 转移控制 / 调用 / 中断 / 信号同步 操作数类型 整数（带符号、无符号、十进制）、浮点数、位、位串 地址码的编码要考虑： 操作数的个数 寻址方式：立即 / 寄存器 / 寄间 / 直接 / 间接 / 相对 / 基址 / 变址 / 堆栈 操作码的编码要考虑： 定长操作码 / 扩展操作码 条件码的生成 四种基本标志：NF / VF / CF / ZF 指令设计风格： 按操作数地址指定方式来分： 累加器型 、堆栈型 、通用寄存器型、load/store型 按指令格式的复杂度来分 复杂指令集计算机CISC、精简指令集计算机RISC 典型指令系统举例 Pentium / PowerPC / MMX 以下通过MIPS指令系统，介绍如何在机器语言级表示程序

第二讲 程序的机器级表示 主要内容 MIPS指令格式 MIPS寄存器 MIPS操作数 MIPS指令寻址方式 MIPS指令类型 R-类型 / I-类型 / J-类型 MIPS寄存器 长度 / 个数 / 功能分配 MIPS操作数 寄存器操作数 / 存储器操作数 / 立即数 / 文本 / 位 MIPS指令寻址方式 立即数寻址 / 寄存器寻址 / 相对寻址 / 伪直接寻址 / 偏移寻址 MIPS指令类型 算术 / 逻辑 / 数据传送 / 条件分支 / 无条件转移 MIPS汇编语言形式 操作码的表示 / 寄存器的表示 / 存储器数据表示 机器语言的解码（反汇编） 高级语言、汇编语言、机器语言之间的转换 过程调用与堆栈 不管用什么高级语言编写的源程序最终都必须翻译(汇编、解释或编译)成以指令形式表示的机器语言，才能在计算机上运行。本节简单介绍高级语言源程序转换为机器代码过程中涉及的一些基本问题。为方便起见，本节选择具体语言进行说明，高级语言和机器语言分别选用C语言和MIPS指令系统。其他情况下，其基本原理不变。

MIPS指令格式 所有指令都是32位宽，须按字地址对齐 R-Type指令 有三种指令格式 R-Type op rs rt rd shamt func 6 11 16 21 26 31 6 bits 5 bits R-Type指令 有三种指令格式 R-Type 两个操作数和结果都在寄存器的运算指令。如：sub rd, rs, rt I-Type 运算指令：一个寄存器、一个立即数。如：ori rt, rs, imm16 LOAD和STORE指令。如：lw rt, rs, imm16 条件分支指令。如：beq rs, rt, imm16 J-Type 无条件跳转指令。如：j target op rs rt immediate 16 21 26 31 6 bits 16 bits 5 bits I-Type指令 op target address 26 31 6 bits 26 bits J-Type指令

MIPS指令字段含义 R-Type指令 OP：操作码 rs：第一个源操 作数寄存器 rt：第二个源操 rd：结果寄存器 I-Type指令 shamt func 6 11 16 21 26 31 6 bits 5 bits OP：操作码 rs：第一个源操 作数寄存器 rt：第二个源操 rd：结果寄存器 shamt：移位指令 的位移量 func：R-Type指令的OP字段是特定的“000000”，具体操作由func字段给定。例如：func=“100000”时，表示“加法”运算。 immediate：立即数或load/store指令和分支指令的偏移地址 target address：无条件转移地址的低26位。将PC高4位拼上26位直接地址，最后添2个“0”就是32位目标地址。为何最后两位要添“0”？ I-Type指令 op rs rt immediate 16 21 26 31 6 bits 16 bits 5 bits op target address 26 31 6 bits 26 bits J-Type指令 操作码的不同编码定义不同的含义，操作码相同时，再由功能码定义不同的含义! 指令按字地址对齐，所以每条指令的地址都是4的倍数（最后两位为0）。

OP字段的含义（MIPS指令的操作码编码/解码表） op=0: R型；op=2/3：J型；其余：I型 Back to Load/Store BACK to Assemble

R-Type指令的解码（op=0时，func字段的编码/解码表） BACK to Assemble

MIPS Addressing Modes（寻址方式） op rs rt rd register Register func R-format: smt 6 5 I-format: immed op rs rt Immediate Byte / Half Word / Word immed op rs rt register Base或index + Memory B/HW/W immed op rs rt PC + 4 PC-relative + Memory Why is address in branch instruction PC-relative while jump instruction has an absolute address?(p148-149) PC-relative is actually relative to the next instruction.(p148). I-format:immediate: addi, ori, slti,…. I-format:base + index: lw, sw, …. I-format:PC-relative: beq, bne, ….. J-format: op addr. Memory Pseudodirect

Example：汇编形式与指令的对应 若从存储器取来一条指令为00AF8020H，则对应的汇编形式是什么？ 指令的前6位为000000，根据指令解码表知，是一条R-Type指令，按照R-Type指令的格式 得到： rs=00101, rt=01111, rd=10000, shamt=00000, funct=100000 1. 根据R-Type指令解码表，知是 “add”操作（非移位操作) 2. rs、rt、rd的十进制值分别为5、15、16，从MIPS寄存器功能表知: rs、rt、rd分别为：$a1、$t7、$s0 故对应的汇编形式为： add $s0 ，$a1，$t7 32位指令代码：0000 0000 1010 1111 1000 0000 0010 0000 op rs rt rd shamt func 6 11 16 21 26 31 6 bits 5 bits 000000 00101 01111 10000 00000 100000 这个过程称为“反汇编”，可用来破解他人的二进制代码（可执行程序） 功能：$a1 + $t7 → $s0

Example：汇编形式与指令的对应 若MIPS Assembly Instruction: Add $t0,$s1,$s2 则对应的指令机器代码是什么？ 汇编器 ？ 从助记符表中查到Add是R型指令，即： op rs rt rd func smt 6 5 问题：如何知道是R型指令？ 17 18 8 32 6 5 Decimal representaton: $s1 $s2 $t0 R-Type Add No shift 根据汇编指令中的操作码助记符查表能知道是什么格式！ Binary representaton: 000000 10001 10010 01000 100000 00000 6 5 这个过程称为“汇编”，所有汇编源程序都必须汇编成二进制机器代码才能让机器直接执行！

MIPS Circuits for R-Type Instructions This figure is shown for R-type instructions. How many stages are needed: I-fetch, I-decode/R-read, ALU OP, and Write back. R0 is read only. Write is controlled by Write-Enable signal Phase1: Preparation (1：准备阶段) Load instruction register(装入指令寄存器) Forward to the control logic(相应字段送控制逻辑) op field (OP字段) funct field (funct字段) shmt field (shmt字段) Forward to the register file: (相应字段送寄存器) First operand register number (第一操作数寄存器) Second operand register number (第二操作数寄存器) Target register number for the result (存放结果的目标寄存器) Phase2: Execution(2：执行阶段) Register numbers are forwarded to the selectors(寄存器号被送选择器) Corresponding selector outputs are activated(对应选择器输出被激活) Outputs of the two chosen registers are switched to the data buses via AND gates(被选寄存器的输出送到数据总线) Control logic provides(控制逻辑提供)： Correct code for the ALU to perform an operation (ALU操作码) Write signal(写信号) Result is written back into the register file(结果被写回目标寄存器)

MIPS R-type指令实现电路的执行过程 Phase1: Preparation (1：准备阶段) 装入指令寄存器IR 以下相应字段送控制逻辑 op field (OP字段) func field (func字段) shmt field (shmt字段) 以下相应字段送寄存器 第一操作数寄存器编号 第二操作数寄存器编号 存放结果的目标寄存器编号 这个过程描述仅是示意性的，实际上整个过程需要时钟信号的控制，并还有其他部件参与。将在下一章详细介绍。 Phase2: Execution(2：执行阶段) 寄存器号被送选择器 对应选择器输出被激活 被选寄存器的输出送到数据线 控制逻辑提供： ALU操作码 写信号 等 结果被写回目标寄存器

MIPS指令中寄存器数据和存储器数据的指定 寄存器数据指定： 31 x 32-bit GPRs （r0 = 0） 寄存器编号占5 bit 32 x 32-bit FP regs （f0 ～ f31, paired DP） HI, LO, PC: 特殊寄存器 寄存器功能和2种汇编表示方式 存储器数据指定 32- bit machine --> 可访问空间: 232bytes Big Endian(大端方式) 只能通过Load/Store指令访问存储器数据 数据地址通过一个32位寄存器内容加16位偏移量得到 16位偏移量是带符号整数，符号扩展 数据要求按边界对齐 R0=0 because 1)add R2, R1, R0 == mv R2, R1 so MIPS has no mv instruction.2) R0, used with slt,beq,bne, can generate other conditional branch. See p128. DP=double precision A good time to explain the difference between GPRegisters and SPRegisters. SKIP

MIPS寄存器的功能定义和两种汇编表示 zero v0-v1 a0 - a3 t0 - t7 s0 - s7 t8 - t9 gp sp Name number Usage Reserved on call? zero constant value =0(恒为0) n.a. at 1 reserved for assembler(为汇编程序保留) v0 ～ v1 2 ～ 3 values for results(过程调用返回值) no a0 ～ a3 4 ～ 7 Arguments(过程调用参数) yes t0 ～ t7 8 ～ 15 Temporaries(临时变量) s0 ～ s7 16 ～ 23 Saved(保存) t8 ～ t9 24 ～ 25 more temporaries(其他临时变量) k0 ～ k1 26 ～ 27 reserved for kernel(为OS保留) gp 28 global pointer(全局指针) sp 29 stack pointer (栈指针) fp 30 frame pointer (帧指针) ra 31 return address (过程调用返回地址) Registers 1, 26, 27 are reserved for systems. Sp will be automatically adjusted , not necessarily put into stack.P138 $t0 = $8 When you write a simple one program without caller and callee, you can use $1--$31 freely. When you write a complex one program consisting a caller and a callee, you must use registers with cautiously knowing which ones need to be reserved and which not? Registers are referenced either by number—$0, … $31, or by name —$t0, $s1… $ra. zero v0-v1 a0 - a3 t0 - t7 s0 - s7 t8 - t9 gp sp fp ra at 2 - 3 4 - 7 8 --- 15 16 --- 23 24 - 25 28 29 30 31 k0 - k1 1 26 - 27 BACK to Assemble BACK to Procedure BACK to last

MIPS arithmetic and logic instructions Instruction Example Meaning Comments add add $1,$2,$3 $1 = $2 + $3 3 operands; exception possible subtract sub $1,$2,$3 $1 = $2 – $3 3 operands; exception possible add immediate addi $1,$2,100 $1 = $2 + 100 + constant; exception possible multiply mult $2,$3 Hi, Lo = $2×$3 64-bit signed product divide div $2,$3 Lo = $2 ÷ $3, Lo = quotient, Hi = remainder Hi = $2 mod $3 Move from Hi mfhi $1 $1=Hi get a copy of Hi Move from Lo mflo $1 $1=lo Instruction Example Meaning Comment and and $1,$2,$3 $1 = $2 & $3 Logical AND or or $1,$2,$3 $1 = $2 | $3 Logical OR xor xor $1,$2,$3 $1 = $2 $3 Logical XOR nor nor $1,$2,$3 $1 = ~($2 |$3) Logical NOR Hi+Lo are used to store the result of multination and division. Only add instruction has the immediate format. Are logical instructions bit-wise? 这里没有全部列出，还有其他指令，如addu（不带溢出处理）， addui 等 x86只产生各种标志，由软件根据标志信息来判断是否溢出。 问题：x86没有分add还是addu，会不会有问题？

assuming f, g, h, i, j be assigned to $1, $2, $3, $4, $5 Example：算术运算 E.g. f= (g+h) - (i+j), assuming f, g, h, i, j be assigned to $1, $2, $3, $4, $5 add $7, $2, $3 add $8, $4, $5 sub $1, $7, $8 寄存器资源由编译器分配！ 简单变量尽量被分配在寄存器中，为什么？ 程序中的常数如何处理呢？ addi $7, $2, 100 addi $8, $4, 50 sub $1, $7, $8 E.g. f= (g+100) - (i+50) 问题：以下程序如何处理呢？ addi $7, $2, 65000 addi $8, $4, 50 sub $1, $7, $8 E.g. f= (g+65000) - (i+50) 指令设计时必须考虑这种情况！MIPS有一条专门指令，后面介绍。

MIPS data transfer instructions Instruction Comment Meaning SW $3, 500($4) Store word $3 →($4+ 500) SH $3, 502($2) Store half Low Half of $3 →($2+ 502) SB $2, 41($3) Store byte LQ of $2 →($3+ 41) LW $1, -30($2) Load word ($2 -30) → $1 LH $1, 40($3) Load half ($3+40) → LH of $1 LB $1, 40($3) Load byte ($3+40) → LQ of $1 操作数长度的不同由不同的操作码指定。 问题：为什么指令必须支持不同长度的操作数？ 高级语言中的数据类型有char，short，int，long,……等，故需要存取不同长度的操作数；操作数长度和指令长度没有关系 How to alignment half word and byte in memory or in registers?

Example (Base register) Assume A is an array of 100 words, and compiler has associated the variables g and h with the register $1 and $2. Assume the base address of the array is in $3. Translate g = h + A[8] lw $4, 8($3) ;$4 <-- A[8] add $1, $2, $4 offset or displacement （偏移量） lw $4, 32($3) add $1, $2, $4 A[12] = h+A[8] sw $1, 48($3) base register （基址寄存器） Base register was once called as index register. See p115 for why. 问题：如果在一个循环体内执行：g = h + A[i] ，则能否用基址寻址方式？ 不行，因为循环体内指令不能变，故首地址A不变，只能把下标i放在变址寄存器中，每循环一次下标加1，所以，不能用基址方式而应该用变址方式。

Example (Index Register) Assume A is an array of 100 words, and compiler has associated the variables g and i with the register $1, $5. Assume the base address of the array is in $3. Translate g = g + A[i] Index Register （变址寄存器） addi $6, $0, 4 ; $6 = 4 mult $5, $6 ; Hi,Lo = i*4 mflo $7 ; $6 = i*4, assuming i is small add $4, $3, $7 ; $4 <-- address of A[i] lw $4, 0($4) add $1, $1, $4 addi $5, $5, 1 Why should index i multiply 4 ? How do speedup i multiply 4 ? Index mode suitable for Array! For simplicity, we use $1, $2, $3, ….. However, good programming style should comply with MIPS conventions. See Slide 4. 问题：若循环执行 g=g+A[i]，怎样使上述循环体内的指令条数减少？ 用$5做变址器，每次$5加4 或 用移位指令，而不用乘法指令 若增设专门的“变址自增（即自动变址）”指令则可使循环更短

MIPS的call/return/ jump/branch和compare指令 Instruction Example Meaning jump register jr $31 go to $31 For switch, procedure return jump and link jal 10000 $31 = PC + 4; go to 10000 For procedure call jump j 10000 go to 10000 Jump to target address Pseudoinstruction blt, ble, bgt, bge not implemented by hardware, but synthesized by assembler set on less than slt $1,$2,$3 if ($2 < $3) $1=1; else $1=0 set less than imm. slti $1,$2,100 if ($2 < 100) $1=1; else $1=0 branch on equal beq $1,$2,100 if ($1 == $2) go to PC+4+100 branch on not eq. bne $1,$2,100 if ($1!= $2) go to PC+4+100 call / return 伪指令：硬件不能直接执行 按补码比较大小 问题：指令中立即数是多少？ 100=0064H MIPS only have beq, bne. R0, used with slt,beq,bne, can generate other conditional branch. See p128 or next slide. PC-relative address is actually relative to the next instruction. 汇编中给出的是立即数符号扩展后乘4得到的值 问题：指令中立即数是多少？ 25=0019H BACK to Procedure

Example：if-then-else语句和“=”判断 if (i = = j) f = g+h ; else f = g-h ; Assuming variables i, j, f, g, h, ~ $1, $2, $3, $4, $5 bne $1, $2, else ; i!=j, jump to else add $3, $4, $5 j exit ; jump to exit else: sub $3, $4, $5 exit:

Example：“less than”判断 if (a < b) f = g+h ; else f = g-h ; Assuming variables a, b, f, g, h, ~ $1, $2, $3, $4, $5 slt $6, $1, $2 ; if a<b, $6=1, else $6=0 bne $6, $zero, else ; $6!=0, jump to else add $3, $4, $5 j exit ; jump to exit else: sub $3, $4, $5 exit: slt $6, $1, $2 ; if a<b, $6=1, else $6=0 beq $6, $zero, else ; $6=0, jump to else add $3, $4, $5 j exit ; jump to exit else: sub $3, $4, $5 exit:

Assuming variables g, h, i, j ~ $1, $2, $3, $4 and base address Example：Loop循环 Loop: g = g +A[i]; i = i+ j; if (i != h) go to Loop: Assuming variables g, h, i, j ~ $1, $2, $3, $4 and base address of array is in $5 Loop: add $7, $3, $3 ; i*2 add $7, $7, $7 ; i*4 add $7, $7, $5 lw $6, 0($7) ; $6=A[i] add $1, $1, $6 ; g= g+A[i] add $3, $3, $4 bne $3, $2, Loop 加法比乘法快！ 也可用移位来实现乘法！ $3中是i，$7中是i*4 编译器和汇编语言程序员不必计算分支指令的地址，而只要用标号即可！汇编器完成地址计算

Example：过程调用 int i; void set_array(int num) { int array[10]; for (i = 0; i < 10; i ++) { arrar[i] = compare (num, i); } int compare (int a, int b) if ( sub (a, b) >= 0) return 1; else return 0; int sub (int a, int b) return a-b; i是全局静态变量 array数组是局部变量 set_array是调用过程 compare是被调用过程 compare是调用过程 sub是被调用过程 问题1：过程调用对应的机器代码如何表示？ 如何从调用程序把参数传递到被调用程序？ 如何从调用程序执行转移到被调用程序执行？ 如何从被调用程序返回到调用程序执行？ 如何保证调用程序中寄存器内容不被破坏？

Procedure Call and Stack(过程调用和栈) 过程调用的执行步骤（假定过程P调用过程Q）： 将参数放到Q能访问到的地方 将P中的返回地址存到特定的地方，将控制转移到过程Q 为Q的局部变量分配空间（局部变量临时保存在栈中） 执行过程Q 将Q执行的返回结果放到P能访问到的地方 取出返回地址，将控制转移到P，即返回到P中执行 MIPS中用于过程调用的指令（见MIPS过程调用指令） MIPS规定少量过程调用信息用寄存器传递（见MIPS寄存器功能定义） 如果过程中用到的参数超过4个，返回值超过2个，怎么办？ 更多的参数和返回值要保存到存储器的特殊区域中 这个特殊区域为：栈(Stack) 在调用过程P中完成 在被调用过程Q中完成 一般用“栈”来传递参数、保存返回地址、临时存放过程的局部变量等。为什么？ 便于递归调用！

栈(Stack)的概念 栈的基本概念 是一个“先进后出”队列 需一个栈指针指向栈顶元素 每个元素长度一致 用“入栈”（push）和“出栈”（pop）操作访问栈元素 MIPS中栈的实现 用栈指针寄存器$sp来指示栈顶元素 每个元素的长度为32位，即：一个字(4个字节) “入栈” 和“出栈” 操作用 sw / lw 指令来实现，需用add / sub指令调整$sp的值，不能像x86那样自动进行栈指针的调整 （有些处理器有专门的push/pop指令，能自动调整栈指针。如x86） 栈生长方向 从高→低地址“增长”，而取数/存数的方向是低→高地址（大端方式） 每入栈1字，$sp- 4→$sp ; 每出栈1字，$sp+4 →$sp 例：若将返回地址$ra和参数$a0 保存到栈，则指令序列为： sub $sp, $sp, 8 sw $ra, 4($sp) sw $a0, 0($sp) $a0 $ra $sp 高地址 低地址 栈增长的方向

栈帧的概念 每个过程都有自己的栈区，称为栈帧（Stack frame），即：过程的帧（procedure frame） 栈由若干栈帧组成 用专门的帧指针寄存器指定起始位置 当前栈帧范围在帧指针和栈指针之间 程序执行时，栈指针可移动，帧指针不变。所以过程内对栈信息的访问大多通过帧指针进行 假定P调用Q P帧中Q所用的参数 若调用时将返回地址入栈，则在P帧中存放返回地址 P frame 需保存的寄存器 Q所用的局部和临时变量 Q frame MIPS返回地址处理有所不同：调用指令jal把返回地址保存在&ra中，Q再把&ra入栈，Q返回前将&ra出栈，返回指令jr再根据&ra返回到调用过程P Q传给其他过程的参数 MIPS中帧指针寄存器为&fp

MIPS中的过程调用（假定P调用Q） 程序可访问的寄存器组是所有过程共享的资源，给定时刻只能被一个过程使用，因此，一个过程中使用的寄存器的值不能被另一个过程覆盖！ MIPS的寄存器使用约定： 保存寄存器$s0 ~$s7 的值在从被调用过程返回后还要被用，被调用者需要保留 临时寄存器$t0 ~$t9的值在从被调用过程返回后不需要被用（需要的话，由调用者保存） ，被调用者可以随意使用 参数寄存器$a0~$a3在从被调用过程返回后不需要被用（需要的话，由调用者保存在栈帧或其他寄存器中），被调用者可以随意使用 全局指针寄存器$gp的值不变 在过程调用时帧指针寄存器$fp用栈指针寄存器$sp- 4来初始化 需在被调用过程Q中入栈保存的寄存器（称为被调用者保存） 返回地址$ra (如果Q又调用R，则$ra内容会被破坏，故需保存) 保存寄存器$s0 ~$s7 (从Q返回后P可能还会用到，Q中用的话就被破坏，故需保存) 除了上述寄存器以外，所有局部数组和结构类型变量也要入栈保存 如果局部变量和临时变量发生寄存器溢出（寄存器不够分配），则也要入栈 每个处理器对栈帧规定的“调用者保存”和“被调用者保存”的寄存器可能不同。例： x86中返回地址保存在调用过程栈帧中；而MIPS则在被调用过程栈帧中保存 x86中调用参数都保存在调用过程栈帧中；而MIPS则在被调用过程栈帧中保存额外参数 X86中调用过程的帧指针保存在被调用过程栈帧中；MIPS也一样。

过程调用时MIPS中的栈和栈帧的变化

Example in C: swap 在调用过程中用指令“jal swap” 进行swap调用 假定swap作为一个过程被调用，temp对应$t0, 变量v 和 k分别对应$s0和$s1 写出对应的MIPS汇编代码。 问题：上述假设有何问题？ 参数v和k应该在$a0和$a1 swap(int v[ ], int k) { int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } sll $s2, $a1, 2 ; mulitply k by 4 addu $s2 $s2, $a0 ; address of v[k] lw $t0, 0($s2) ; load v[k] lw $s3, 4($s2) ; load v[k+1] sw $s3, 0($s2) ; store v[k+1] into v[k] sw $t0, 4($s2) ; store old v[k] into v[k+1] sub $s2,$s3,$s1 jal swap add $s3,$s2,$t0 调用程序 在调用过程中用指令“jal swap” 进行swap调用 swap程序 jr $ra jal --- jump and link (跳转并链接) $31 = PC+4 ; $31=$ra goto swap sll: shift left logical. So far, we have 3 ways to do k*4: 1) 1 multiplication; 2) 2 additions; 3) shift left. 问题1：若swap中不保存$s2，则caller会发生什么情况？ caller中$s2的值被swap破坏！须在swap栈帧中保存$s2 问题2：若swap中不保存$t0，则caller会发生什么情况？ $t0约定由caller保存，故无须在swap栈帧中保存$t0

swap: MIPS中的一个过程示例 swap: addi $sp,$sp, –12 ; 栈增长3个 sw $31, 8($sp) ; 返回地址入栈 sw $s2, 4($sp) ; 保留寄存器$s2入栈 sw $s3, 0($sp) ; 保留寄存器$s3入栈 .... lw $s3, 0($sp) ; 恢复$s3 lw $s2, 4($sp) ; 恢复$s2 lw $31, 8($sp) ; 恢复$31（$ra） addi $sp,$sp, 12 ; 退栈 jr $31 ; 从swap返回到调用过程 $s2 $ra $sp 高地址 栈增长的方向 $s3 sll $s2, $a1, 2 ; mulitply k by 4 addu $s2, $s2, $a0 ; address of v[k] lw $t0, 0($s2) ; load v[k] lw $s3, 4($s2) ; load v[k+1] sw $s3, 0($s2) ; store v[k+1] into v[k] sw $t0, 4($s2) ; store old v[k] into v[k+1] 问题：是否一定要将返回地址（$31）保存到栈帧中？ 如果swap是叶子过程，则无需保存返回地址到栈中，为什么？ 如果将所有内部寄存器都用临时寄存器 (如$t1等)，则叶子过程swap的栈帧为空，且上述黑色指令都可去掉 $ra的内容不会被破坏！

Example：过程调用 int i; void set_array(int num) { int array[10]; for (i = 0; i < 10; i ++) { arrar[i] = compare (num, i); } int compare (int a, int b) if ( sub (a, b) >= 0) return 1; else return 0; int sub (int a, int b) return a-b; i是全局静态变量 array数组是局部变量 set_array是调用过程 compare是被调用过程 compare是调用过程 sub是被调用过程 问题1：编译器如何为全局变量和局部变量 分配空间？ 问题2：执行set_array的结果是什么？

过程调用时的变量分配 全局静态变量一般分配到寄存器或在R/W存储区（数组或结构等）。 该例中只有一个简单变量i，假定分配给$s0。 为减少指令条数，并减少访问内存次数。在每个过程的过程体中总是先使用临时寄存器$t0~$t9，临时寄存器不够或者某个值在调用过程返回后还需要用，就使用保存寄存器$s0~$s7。 过程set_array的入口参数为num，没有返回参数，有一个局部数组，被调用过程为compare，因此，其栈帧中除了保留所用的保存寄存器外，必须保留返回地址（是否保存$fp要看具体情况，如果确保后面都不用到$fp，则可以不保存，但为了保证$fp的值不被后面的过程覆盖，通常情况下，应该保存$fp的值），并给局部数组预留4×10=40个字节的空间。 从过程体来看，从compare返回后还需要用到数组基地址，故将其分配给$s1。因此要用到的保存寄存器有两个：$s0和$s1，另外加上返回地址$ra、帧指针$fp、局部数组，其栈帧空间最少为4×4+40=56B。

过程调用举例：栈指针、帧指针和栈帧中信息的变化 过程set-array没有多于4个额外入口参数，无需保留临时寄存器，故栈帧占56字节。 过程compare入口参数为a和b，仅一个返回参数，没有局部变量，被调用过程为sub。过程体中没用到保存寄存器，所以，其栈帧中只需保留返回地址$ra和$fp的值。 过程sub是叶子过程，其栈帧为空。

程序的翻译、链接和加载（自学） 不同的高级语言有不同的编译器，但生成的汇编语言一样 前面许多例子说明了编译器如何把高级语言语句翻译成汇编指令 每台机器的汇编程序功能一样，与高级语言无关 目标文件就是机器语言（指令、数据及链接说明信息） 如何链接？ 将多个过程（包括库例程）的目标文件链接成一个可执行文件。 可执行文件要说明代码和数据区多大，并给出每条指令的机器码及其地址、各数据及其地址 从磁盘中读取可执行文件到存储器，并启动开始执行。 如何分配代码和数据的地址？ SKIP

复习：MIPS程序和数据的存储器分配 每个MIPS程序都按如下规定进行存储器分配 每个可执行文件都按如下规定给出代码和数据的地址 栈区位于堆栈高端，堆区位于堆栈低端 栈(Stack)区存放每个过程的局部数据（也称自动变量），从高往低长，从被调用过程返回后释放 堆(heap)区存放程序的动态数据（如：C中的malloc申请区域、链表等），从低往高长，执行free后释放 静态数据区存放全局变量（也称静态变量），指所 有过程之外声明的变量和用Static声明的变量； 从固定的0x1000 0000处开始向高地址存放 全局指针$gp总是0x1000 8000，其16位偏移量的访 问范围为0x1000 0000～0x1000 ffff，可遍及整个静态数据区的访问 程序代码从固定的0x0040 0000处开始存放 故PC的初始值为0x0040 0000 Heap BACK

目标文件的链接（自学） 过程A和过程B分别编译、汇编成目标文件，链接后生成一个可执行文件 过程A的目标文件 代码的长度为0x100 链接前地址总是从0开始 0是由B待定的地址 实际是指令机器码 链接前地址总是从0开始 X的地址待定 B的地址待定

目标文件的链接（自学） 过程A和过程B分别编译、汇编成目标文件，链接后生成一个可执行文件 过程B的目标文件 代码的长度为0x200 0是由Y待定的地址 0是由A待定的地址

目标文件的链接（自学） 过程A和过程B分别编译、汇编成目标文件，链接后生成一个可执行文件 生成的可执行文件 代码地址总是从0040 0000开始 0x1000 8000 过程B从A后的0x100开始 0x1000 0000=? + 静态数据地址从0x1000 0000开始 过程B从A后的0x20开始 0x1000 8000+0xFFFF 8000=0x1000 0000 ?= 8000 (符号扩展后为FFFF 8000) BACK

MIPS指令中位的指定和逻辑运算（自学） 逻辑数据表示 用一位表示 真：1 -True / 假：0-False N位二进制数可表示N个逻辑数据 逻辑运算 按位进行， 如: And / Or / Shift Left / Shift Right等 位的指定 设置某位的值： 清0: 与掩码（1…101…1）相“与” 置1：与位串（0…010…0）相“或” 判断某位的值： 是否为0: 与位串（0…010…0）相“与”后，是否为0 是否为1：与位串（ 0…010…0 ）相“与”后，是否不为0 MIPS中的移位指令（sll / srl） Ver2.0书中的4.4节，Ver3.0已改到本章中。 op rs rt rd shamt func 000000 00000 10000 01010 01000 000010 例 : srl $t2,$s0,8 $s0右移8位后送$t2 逻辑数据和数值数据在形式上并无差别，也是一串0/1序列，机器本身不能识别，需靠指令的类型来识别。包括后面所讲的字符数据等都一样。

MIPS指令中常数的指定（自学） 程序中经常需要使用常数，例如： 指令中如何取得常数 C编译器gcc中52%的算术指令用到常数 电路模拟程序Spice中69%的算术指令用到常数 指令中如何取得常数 若程序装入时，常数已在内存中，则需用load指令读入寄存器 在指令中用一个“立即数”来使用常数 例1：i=i+4; Assuming variable i ~ $1 则： addi $1, $1, 4 例2：if (i<20) …. ; Assuming variable i ~ $1 则： slti $3, $1, 20 ; if (i<20) $3=1 else $3=0 如果常数的值用16位无法表示，怎么办？ 用lui指令把高16位送到寄存器的高16位，再把低16位加到该寄存器中。 例3：将“0000 0000 0011 1101 0000 0000 0000 1000”送$3中 则： lui $3, 61 addi $3, $3, 8

MIPS指令中如何表示文本字符串（自学） 有些情况下，程序需要处理文本。例如： 西文文本由ASCII码字符构成字符串 Java等语言使用Unicode编码构成字符串 汉字文本使用的汉字编码字符构成字符串 字符串的表示 由一个个字符组成，长度不定。有三种表示方式： 字符串的首字节记录长度 用其他变量来记录长度（即：用“struc”类型来描述） 字符串末尾用一个特殊字符表示。 如：C语言用字符（NULL）来标记字符串结束 如何在指令中表示字符 ASCII字符串，每个字符由8位组成，用 “lb/sb”指令存/取一个字节 Unicode和汉字字符串，每个字符有16位，用 “lh/sh”指令存/取两个字节 例1：x[i] = y[j]; Assuming variables i,j ~ $1,$2, base address x,y ~ $3,$4 则： add $5, $3, $1 ; $5=the address of x[i] add $6, $4, $2 ; $6=the address of y[j] lb $7, 0($6) ; $7=y[j] sb $7, 0($5) ; x[i]=$7 SKIP

数据类型和MIPS指令的对应（自学） C语言中的“char”为8位， Java语言中的“char”为16位(Unicode)

本讲小结 MIPS指令格式 R-类型 / I-类型 / J-类型 MIPS寄存器 长度 / 个数 / 功能分配 MIPS操作数 寄存器操作数 / 存储器操作数 / 立即数 / 文本 MIPS指令寻址方式 立即数寻址 / 寄存器寻址 / 相对寻址 / 伪直接寻址 / 偏移寻址 MIPS指令类型 算术 / 逻辑 / 数据传送 / 条件分支 / 无条件转移 MIPS汇编语言形式 操作码的表示 / 寄存器的表示 / 存储器数据表示 机器语言的解码（反汇编） 高级语言、汇编语言、机器语言之间的转换 运算表达式 / If语句 / 循环 / 数组访问 / 过程 / 堆栈 / 栈帧 其他指令系统：PowerPC、80x86 CISC vs. RISC

本章总结1 指令格式 定长指令字：所有指令长度一致 变长指令字：指令长度有长有短 操作类型 数据传送：数据在寄存器、主存单元、栈顶等处进行传送 操作运算：各种算术运算、逻辑运算 字符串处理：字符串查找、扫描、转换等 I/O操作： 与外设接口进行数据/状态/命令信息的交换 程序流控制：条件转移、无条件转移、转子、返回等 系统控制：启动、停止、自愿访管、空操作等 操作数类型（以Pentium处理器数据类型为例） 序数或指针：8位、16位、32位无符号整数表示 整数：16位、32位、64位三种补码表示的整数 实数：IEEE754浮点数格式 十进制数：18位十进制数，用80个二进位表示 字符串：字节为单位的字符序列，一般用ASCII码表示 操作数宽度：有多种，如：字节、16位、32位、64位等

本章总结2 寻址方式 立即：地址码直接给出操作数本身 直接：地址码给出操作数所在的内存单元地址 间接：地址码给出操作数所在的内存单元地址所在的内存单元地址 寄存器：地址码给出操作数所在的寄存器编号 寄存器间接：地址码给出操作数所在单元的地址所在的寄存器编号 堆栈：操作数约定在堆栈中，总是从栈顶取数或存数 偏移寻址：用基地址+形式地址得到操作数所在的内存单元地址，包括三种： 变址寻址：地址码给出一个形式地址，并且隐含或明显地指定一个寄存 器作为变址寄存器，变址寄存器的内容（变址值）和形式地址相加，得到操作数的有效地址， 相对寻址：指令中的形式地址给出一个位移量D，而基准地址由程序计 数器PC提供。即：有效地址EA=（PC）+ D 基址寻址：地址码给出一个形式地址，作为位移量，并且隐含或明显地指定一个寄存器作为基址寄存器，基址寄存器的内容和形式地址相加，得到操作数的有效地址

本章总结3 指令系统风格：决定了处理器的设计 按地址码指定风格来分 累加器型：一个操作数和结果都隐含在累加器中 堆栈型：操作数和结果都隐含在堆栈中 通用寄存器型：操作数明显地指定在哪个通用寄存器中 装入/存储型：运算类指令的操作数只能在寄存器中，只有装入(Load)指令和存储(Store)指令才能访问内存 按指令系统的复杂度来分 CISC：复杂指令系统计算机 RISC：精简指令系统计算机

谬误和注意点 谬误1：功能更强的指令意味着更高的性能。 反例：块拷贝或块比较指令 将循环展开，重复多次执行简单指令，大约快1.5倍 使用更长的浮点寄存器重复执行拷贝或比较，大约快2倍 谬误2：使用汇编语言编程能获得最高的性能。 直接用汇编语言编程或让程序员提供编译指示反而没有编译器自动生成的代码更优化。 汇编语言程序比高级语言程序更长，所以编码调试时间更长、可移植性差、难于维护。 注意点1：现在基本上所有机器都采用字节编址，因此，计算数据的地址时，应该考虑其长度占几个字节。 注意点2：不同的机器在进行数据存放时，采用的顺序可能不同，有小端或大端方式，小端方式以反序形式显示数据的值。 注意点3：在自动变量的定义过程外使用指向该变量的指针，会发生混乱。 过程体内的局部变量（也被称为自动(automatic)变量）会随着过程的调用在栈帧中生成，并随着过程的返回在栈帧中消退。 局部数组的指针在过程体外引用时，会发生错误。

重要结论 简单来自于规整 指令在程序中出现的频率是不同的 尽量加快常用操作的速度 好的设计需要在各种因素中进行权衡 高级语言中的不同的结构对应不同类别的指令 算术运算指令对应于赋值语句 出现数组或结构等的数据操作时，需要访存指令 条件分支指令用于if语句和循环结构 无条件转移用于Case/Switch语句结构 调用指令、入/出栈指令用于过程调用 …….