第三章 指令系统

一、指令系统的发展
1、CISC---复杂指令系统计算机 、 复杂指令系统计算机 Complex Instruction Set Computer，20世纪60年代后期，随 着IC、LSI、VLSI的出现和发展，计算机硬件成本不断下降，人们热 衷于在指令系统真增加更多的指令和复杂的指令，来提高操作系统的 效率，促使指令系统越来越复杂，这一时期的计算机称为CISC。 2、RISC---精简指令系统计算机 、 精简指令系统计算机 Reduced Instruction Set Computer ，1975年IBM公司开始研 究指令系统的合理性问题，IBM的John Cocke提出精简指令的想法， 本书作者David A. Patterson创造了RISC一词，并定义了其含义，后 来John L. Hennessy带领他在斯坦福的研究小组研制成功MIPS机， 精简指令系统计算机从此诞生并发展起来。
g = h + A[i]
【解答】 解答】 为了能从A[i]中取出数据，首先要得到A[i]的内存地址，且 必须以offset(rs)的形式体现。通过计算A+4*i可得A[i]的内存地 址，将其放入基址寄存器，这样只要令偏移量offset为0，即可 以offset(rs)的形式实现取数指令：
add add add
2、存字指令（Store Word）SW 存字指令（ ）
指令格式： sw rt， offset(rs) #注释
指令功能：将rt寄存器中的数据存入【(rs)+offset】内存单元 注意事项：同lw指令
例3.5
使用取指令和存储指令进行编译 : C语句: A[12] = h + A[8];
【解答】 解答】 首先应该使用lw指令将A[8]取到寄存器中，再做加法运 算，最后利用sw指令将和存入A[12]。假设变量h在$s2寄存 器中，数组A的基址在$s3中，则该C语句的MIPS汇编指令 代码如下： lw w add sw $t0, 32($s3) 32( ＃ 临时寄存器$t0存放A[8]的值
二、RISC的特点 的特点
1、优先选取一些使用频率最高的简单指令，以及一些很有用但不 复杂的指令，避免复杂指令。 2、指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，指令各字 段的划分比较一致，各字段功能较规整。 3、只有存数、取数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器 之间进行。 4、CPU中通用寄存器数量较多。
数据传送指令中的常量称为偏移量（ offset ） ，用来计 偏移量（offset） 偏移量
算地址的寄存器称为基地址寄存器（base register）。 基地址寄存器（ register） 基地址寄存器
内存有效地址EA=offset(偏移量)+ 基地址寄存器) 内存有效地址EA=offset(偏移量 + rs(基地址寄存器 EA=offset(偏移量 基地址寄存器
3.2
计算机硬件的操作指令
一、指令的基本格式 指令格式，是指令用二进制代码表示的结构形式，通常有 操作码字段和地址码字段组成。操作码表示指令的操作特性和 功能，而地址码通常指定参与操作的操作数的地址，故指令基 本格式如下：
OP A
1、操作码 、 操作码字段的位数取决于指令系统的规模，例如，只有8条 指令的指令系统，OP字段有3位就够了，如果系统包含32条指令， 则OP字段需要5位操作码。一般来说一个包含n位的操作码能够 表示2n条指令。
硬件/软件接口 硬件 软件接口 编译器不仅把变量同寄存器联系起来，还为数 组和结构这样的数据结构分配内存空间。这样，编译器就能 把恰当的基地址放入数据传送指令中。
二、操作数在内存单元中
计算机如何表示和存取数组这样的复杂数据结构呢？ 处理器只能在寄存器中保存很少的数据，而内存则可以存放 数以百万计的数据单元。因此，数组这样的数据结构存放在 数组这样的数据结构存放在 内存中。 内存中。 内存单元用地址编号表示, 内存单元用地址编号表示,叫内存地址 ,例: 例
实际MIPS内存地址:一个字=4字节表示,按字节编址:
字节寻址还影响数组的索引。要得到正确的地址，加到基 址上的偏移量应该乘以4。
三、数据传送指令 : LW与 SW 与
1、取字指令（Load Word）LW 取字指令（ ） 指令格式： Lw rt, offset(rs) #注释 ① offset为偏移量，是数组首地址到数组中某元素存储位置的 字节偏移量，是一个常数。 ② rs是存储数组首地址的寄存器，称为基址寄存器 ③ rt为目的操作数寄存器，存放取自【(rs)+offset】的数据 注意：offset(rt)表示存放数据的内存单元地址，即内存地址。 即内存地址。 即内存地址 例3.4 编译有一个操作数在内存中的C语言赋值语句: 编译有一个操作数在内存中的C语言赋值语句: g = h + A[8]; 设数组A[100]
$t1, $s4, $s4 $t1, $t1, $t1 $t1, $t1, $s3
＃ 临时寄存器$t1 = 2 * i ＃ 临时寄存器$t1 = 4 * i ＃ 临时寄存器$t1 = A[i]的地址(4*i+$s3)
然后把A[i]取到临时寄存器中： lw $t0, 0($t1) ＃ 临时寄存器$t0 = A[i]
其中 add称操作符， 表示加运算；紧跟add的a是目的操作 数， 即为结果，其余b、c表示源操作数。每条指令中由 “＃” 号领头的部分是注释。
例如： 计算 a=b+c+d+e； add a，b，c add a，a，d add a，a，e 2、减法指令 sub rd, rs, rt #注释 ＃ b + c的和存放在a中 ＃ b + c + d的和已存放在a中 ＃ b + c + d + e的和已存放在a中
例3.3
使用寄存器编译C 使用寄存器编译C语言赋值语句
f = (g + h) – (i + j);
以上例C语言赋值语句为例： 为变量f, g, h, i, j分别指定寄存器$s0, $s1, $s2, $s3, $s4 而临时变量指定寄存器$t0,$t1,则MIPS 汇编符号 指令 : add add sub $t0, $t1, $s0, $s1, $s3, $t0, $s2 $s4 $t1 ＃ 寄存器$t0中包含g + h的和 ＃ 寄存器$t1中包含i + j的和 ＃ $t0 - $t1的差放入f中
2、地址码 、 根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几地 址指令，一般有三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地 址指令格式：
OP
OP
A
OP
A1
A2
OP
A1
A2
A3
三、MIPS算术运算指令 算术运算指令 1、加法指令 add rd, rs, rt #注释 #注释
①每条指令只执行一个操作，并且有且只有三个变量 ②书写时，每一行只有一条指令，注释放在行尾，由#号引出 ③该指令执行rd=rs+rt的操作 例如：add a, b, c ＃ b + c的和存放在a中
例 3.2
把一个复杂的C 语言赋值语句编译成MIPS MIPS汇 把一个复杂的 C 语言赋值语句编译成 MIPS 汇 编指令
j); f = (g + h) – (i + j);
【解答】 解答】 ＃ 临时变量t0=g + h的和 add t0, g, h ＃ 临时变量t1=i + j的和 add t1, i, j 最后做减法，把差放在f中： ＃ f=t0 - t1的值 sub f, t0, t1 完成一个类似于加法的操作需要3个操作数：2个数参与 运算，1个数存放结果。每条指令刚好包含3个操作数，不多 也不少，这是遵循简化硬件的原则，因为操作数的个数不定 的硬件实现比个数固定的硬件实现复杂得多。这就是硬件设 计要考虑的第一条原则： 设计原则1：简单性来自规则性。（Simplicity favors 设计原则 ：简单性来自规则性。（ 。（ regularity. ）
把两个C语言赋值语句编译成 语言赋值语句编译成MIPS汇编指令 例3.1 把两个 语言赋值语句编译成 汇编指令 下面这段C语言代码包含5个变量a, b, c, d, e： a = b + c; d = a – e;
【解答】 解答】 add a, b, c sub d, a, e
# a=b+c #d=a–e
【解答】 解答】
操作数A[8]在内存中，首先得把它转移到寄存器中。它 的地址是数组A的基地址加上8*4的和。 假设$s3存放数组A的 基地址，g对应$s1寄存器，h对应$s2寄存器。
lw add
32( $t0, 32($s3)
＃ 临时寄存器$t0存放A[8]的值
$s1, $s2, $t0 ＃ g = h + A[8]
$t0, $s2, $t0 ＃ 临时寄存器$t0存放h+A[8]的值 48( $t0, 48($s3) ＃ 把h+A[8]的值存储到A[12]中
例3.6 使用可变数组下标进行编译
假设A是100个元素的数组，基地址在寄存器$s3中，变量g, h, i分别和寄存器$s1，$s2，$s4相联系。写出下面的C语句的 MIPS汇编代码：
三、MIPS简介 简介
1、处理器的缩写 、 ① Million Instruction Per Second，泛指每秒能执行百万条指令的处理器 ② Microprocessor without Interlocking Pipeline Stage， 一种无内锁的流水线微处理器 2、MIPS公司 、 公司
一、MIPS的寄存器 的寄存器 在MIPS体系结构中，一个寄存器的长度是32位；又称 32位为字长。MIPS体系中的数据字、指令字都是32位。 MIPS寄存器汇编符号记为$s0、$s1、 $s2、$s3 …$s7， 对应编码为:16、17、… 23； 以及$t0、$t1、 $t2、 $t3 …$t7，对应编码为:8、9、… 15。 寄存器和编程语言的变量的一个来自百度文库要区别是，寄存器数 量有限，现在的计算机中一般是32个。MIPS也只有32个寄 存器。为什么限于32个寄存器? 原因可以从硬件设计的第二条原则找到： 设计原则2 越小越快。 设计原则2：越小越快。（Smaller is faster. ） 寄存器的数量如果很大，则电信号需要传输的距离更长， 因而时钟周期也会变得很长。
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 概述
指令系统
计算机硬件的操作 计算机硬件的操作数 指令的计算机内部表示 决策指令 计算机硬件对过程的支持 计算机对字符的处理（略去） MIPS的其他寻址方式
3.1
概述
要给计算机硬件直接下命令，就必须使用机器 的语言。机器语言中的“单词”称为指令 指令，其“词 指令 汇表”称为指令集 指令集。本章将介绍现实中计算机所使 指令集 用的指令集系统。 通过学习机器指令，你会了解到计算机中的 一个重要概念：存储程序（stored-rogram） 存储程序（ 存储程序 stored-rogram） 着重介绍的是MIPS指令集 ，涉及到MIPS指令的操 作数、指令格式及指令类别
最后把A[i]和h加起来，放到变量g中： add $s1, $s2, $t0 ＃ g = h + A[i]
四、软硬件接口：溢出（spilling）寄存器 软硬件接口：溢出（ ）
很多程序中变量的数量比寄存器的数量多。因此， 编译器尽量把使用最频繁的变量保持在寄存器中，而把 其余的放在内存中，并用取数和存储指令在寄存器和内 存之间传送数据。将不常用或是以后才用到的变量存入 内存的过程称为溢出（spilling）寄存器 溢出（ 溢出 ）寄存器。
3.3
计算机硬件的操作数
计算机硬件的操作数放在什么地方? cpu的寄存器（register） 中---寄存器操作数 的寄存器（ ） 寄存器操作数 寄存器是建造计算机的基石，因为它们是硬件设计中用到 的基本单元，对于程序员也是可见的，但其数量有限。 存储器中---存储器操作数 存储器中 存储器操作数 复杂数据结构，如数组、结构体等包含大量数据元素，不 可能映射到数量有限的寄存器上，只能存储到存储器中。 指令中---立即数 指令中 立即数 有些操作数直接与指令存放在一起，称为立即数，而 MIPS中专门设置有一些立即数指令，如addi，slti等。