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【計算機組成原理】考綱第四章 MIPS指令系統及組合語言

阿新 • • 發佈：2020-10-23

(四)、MIPS指令系統及組合語言

（1）指令系統的基本知識（指令格式、定址方式）

（2）MIPS組合語言

4.1 指令系統的基本知識

4.1.1 指令系統概述

4.1.2 指令格式

機器指令是計算機硬體可以執行的、表示一種基本操作的二進位制程式碼。

  • 指令格式：操作碼 + 運算元（運算元地址）

    • 操作碼：指明指令的操作性質
    • 運算元：指明運算元的位置（或運算元本身）

  • 指令表示：

    • 機器表示：二級制程式碼
    • 符號化表示：助記符，如 MOV AX, BX

  • 操作碼結構：

    • 固定長度操作碼：操作碼長度固定不變

      ①硬體設計簡單；②指令譯碼時間開銷較小；③指令空間效率較低

    • 可變長度操作碼：操作碼長度隨指令地址數目的不同而不同

      ①硬體設計複雜；②指令譯碼時間開銷較大；③指令空間利用率較高

  • 指令長度：

    • 定長指令系統：如MIPS指令
    • 變長指令系統：一般為位元組的整數倍，如X86指令

4.1.3 定址方式

(1) 什麼是定址？

定址方式 就是根據 形式地址 計算出運算元 有效地址 的方法。

  • 形式地址：指令給出直接的運算元的地址編碼
  • 有效地址：運算元實際在記憶體中儲存的地址
(2) 怎麼定址？

  1. 定址方式的確定

    • 在操作碼中給定定址方式：如 MIPS 指令，指令中僅有一個主（虛）存地址的，且指令中僅有幾種定址方式。 Load/store 型機器指令屬於這種情況。

    • 指令中專門的定址方式位：如 X86 指令，指令中有多個運算元，且定址方式各不相同，需要各自說明定址方式。

  2. 按照指定方式進行定址

    定址方式 示意圖 說明 運算元位置 訪問運算元所需訪存次數
    立即定址 指令中 0
    暫存器直接定址 暫存器 0
    暫存器間接定址 儲存器 1
    基址定址 儲存器 1
    變址定址 儲存器 1
    相對定址 儲存器 1
    堆疊定址 儲存器 1

4.2 MIPS組合語言

4.2.1 MIPS指令系統

(1) MIPS R2000/R3000 暫存器結構

(2) MIPS 暫存器使用約定
  • 為了保持硬體的簡單，組合語言不使用變數，運算元都是暫存器（registers），暫存器沒有數值型別（與C語言等高階語言不同）
  • MIPS有 32
    個暫存器，每個暫存器存放資料的寬度為 32 bits（1個字）

(3) MIPS 指令格式

  • MIPS 只有3種指令格式，32位固定長度指令格式

    原因：馮·諾伊曼計算機建立在兩個原則之上——①指令與數值的表示形式一致；②全部程式可以被儲存在記憶體中，像資料一樣被讀寫。為了簡化計算機系統的軟/硬體，使得適用於資料操作的記憶體技術完全適用於指令操作，MIPS將指令也按照資料相同的”按字儲存“的方式儲存，即一條指令佔32位，同時將32位劃分為不同的欄位，每一個欄位提供指令的一部分資訊，不同的劃分方式形成了不同的指令格式——R、I、J，詳細見下表。

  • MIPS 指令格式一覽表

    R （Register ） I （Immediate） J（Jump）
    opcode：與 func 組合起來，決定該條指令名（操作符），opcode等於0時代表所有R型別指令；
    rs (Source Register)：通常指定存放第一個運算元；
    rt (Target Register)：通常指定存放第二個運算元；
    rd (Destination Register)：通常指定存放計算結果的暫存器；
    shamt：儲存執行移位運算時要移的位數，該欄位在不進行移位的指令中通常置0    		 opcode : I型別指令中opcode可以唯一確定一條指令；
    rs：表示唯一的運算元暫存器；
    rt：指定儲存計算結果的暫存器；
    立即數：16bits，可表示$2^{16}$ 個不同的整數值，在 addi, slti, sltiu 等指令中中立即數通過位擴充套件(符號擴充套件)方式擴充套件到32位    		 opcode：與前兩者一致；
    target address：26bits，利用字對齊，可以表示出32-bit地址的28位
    add, addu, sub, subu, and, or, jr addi, ori, lui, lw, sw, beq, bnq j, jal
    說明：5bits指定暫存器位置正好可以對應32 ($2^5$)個暫存器 說明：如果立即數超過16bits所能表示的範圍，可以藉助 lui 指令——將一個16bit的立即數存入暫存器的高16位，並將暫存器的低16位置 0 $New PC = {\ PC[31..28],Addr,00\}$
(4) MIPS 指令語法
  • 注意 “指令語法” 與 “指令格式” 的不同：指令語法是程式設計師書寫的語法規範，語法是固定的，用過約定好的規則使硬體實現更簡單；而指令格式是指機器碼(二進位制程式碼)的格式
  • 指令語法：操作符, 目標, 源1, 源2
    • 操作符：指明操作的名稱
    • 目標：存放操作的結果
    • 源1 (2)：第一 (二) 個運算元
(5) MIPS 定址方式

  • MIPS 沒有間接定址，且Load/Store指令採用單一定址模式(基址定址)

  • MIPS 定址方式

(6) MIPS 指令介紹

  • Load / Store 指令（取數/儲存指令）

    • 格式：I 型別指令

    • 分類：①取數指令：LB (取位元組), LBU (取不帶符號位元組), LH (取半字), LHU (取不帶符號的半字), LW (取字), LWL, LWR 等；②儲存指令：SB (存位元組), SH (存半字), SW (存字), SWL , SWR 等

  • 運算指令

    • 格式：R 型別指令， I 型別指令
    • 分類：①算數運算：add, addu, addi, addiu, sub, subu, mul, mulu, div, divu, mfhi, mflo等；②邏輯運算：and, andi, or, ori, xor, xori, nor等；③移位運算：sll, srl, sra, sllv, srlv, srav 等

  • 跳轉指令

    • 格式：J 型別指令，R 型別指令
    • 分類：j, jal, jr, jalr

  • 轉移指令

    • 格式：I 型別指令
    • 分類：beq(相等轉移), bne(不等轉移), blez(小於或等於0轉移), bgtz(大於0轉移), bltz(小於0轉移), bltzal, bgezal 等

  • 特殊指令

    • 格式：R 型別指令
    • 分類：syscall(系統呼叫), break(斷點)
  • R型別指令編碼示例
  • 使用MIPS實現swap遞迴函式 
    

    • 



4.2.2 MIPS組合語言詳解


(1) MIPS的資料通路與記憶體佈局




(2) MIPS的暫存器傳送的控制邏輯




(3) MIPS 組合語言中的 算術、邏輯、移位運算


    

  • 

    整數加減法
    

      

    • 加法：add $s0, $s1, $s2
      • 

    • 減法：sub $s3, $s4, $s5
      • 

    

    • 

  • 

    0號暫存器、立即數
    

      

    • 

      0號暫存器：定義 $0 為數字 0 ，也可寫作 $zero
      

      • 

    • 

      立即數：即數值常量，MIPS針對立即數設定了專門指令，如 addi $s0, $s1, 10
      

      需要注意的是，MIPS沒有立即數的減法，可以用立即數加實現
      

      • 

    

    • 

  • 

    算數運算的溢位
    

      

    • 可檢測出溢位異常的指令：add, sub, addi
      • 

    • 不會檢測出溢位異常的指令：addu, subu, addiu
      • 

    • MIPS中的C編譯器會使用 addu, addiu, subu，即不檢查溢位異常
      • 

    

    • 

  • 

    移位運算
    

      

    • 邏輯左移 sll：左移並且補0，位移量為立即數
      • 

    • 邏輯右移 srl：右移並且補0，位移量為立即數
      • 

    • 算數右移 sra：右移並且在空位做符號擴充套件填充，位移量為立即數
      • 

    • sllv, srlv, srav：移位量儲存在暫存器中，處理方式與立即數位移量類似
      • 

    

    • 



(4) MIPS 組合語言中的 資料存取


    

  • 

    MIPS算術指令只能操作暫存器，不能直接操作記憶體，需要通過資料存取指令在記憶體與暫存器之間傳輸資料
    

    • 

  • 

    資料存取指令
    

      

    • 

      記憶體到暫存器：lw
      

      lw $t0, 12($s0) ：$s0稱為基址暫存器，12稱為偏移量
      

      • 

    • 

      暫存器到記憶體：sw
      

      sw $t0, 12($s0) ：與 lw 相同
      

      • 

    

    • 

  • 

    位元組的存取指令
    

      

    • lb $s0, 3($s1) ：把記憶體中的某個地址(3 + s1中的地址值)所儲存的數值拷貝到s0的低地址位元組上(其餘24位使用符號擴充套件)
      • 

    • sb $s0, 3($s1) ：把s0的低地址位元組所儲存的數值儲存到記憶體中的某個地址(3 + s1中的地址值)上
      • 

    

    • 

  • 

    定址：現代計算機按位元組編址，32-bit 字地址按 4 遞增
    

    • 

  • 

    字對齊：物件的起始位置一定要是字長的整數倍，故MIPS中lw和sw指令的基址暫存器的值與偏移量都應該是4的倍數
    

    • 



(5) MIPS彙編中的 分支、迴圈


    

  • 

    條件分支指令
    

      

    • beq $1, $2, Label1：相當於C語言中的 if($1==$2) goto L1;
      • 

    • bne $1, $2, Label1：相當於C語言中的 if($1!=$2) goto L2;
      • 

    

    • 

  • 

    無條件分支指令
    

      

    • j Label：無條件跳轉到標籤label所在的程式碼，相當於 goto Label
      • 

    

    • 

  • 

    不等式指令
    

      

    • slt $1, $2, $3：相當於 $1 = ($2 < $3) ? 1 : 0;
      • 

    • slti：slt的立即數版本
      • 

    

    • 



(6) 一些小練習


    

  • 

    IF - ELSE 語句
    

    // C語言原始碼
if (i == j) f = g + h;
else f = g - h;

    

    # MIPS彙編實現程式碼如下
beq $s3, $s4, Label_True	# branch i==j
sub $s0, $s1, $s2			# f=g-h (false)
j Label_Finish				# goto Fin
Label_True:
add $s0, $s1, $s2			# f=g+h (True)
Label_Finish:

    

    • 

  • 

    SWITCH 語句
    

    // C語言原始碼
switch (k) {
	case 0: f = i + j; break; 
	case 1: f = g + h; break; 
	case 2: f = g - h; break; 
	case 3: f = i - j; break;
}
// 簡化為IF-ELSE語句
if (k == 0) f = i + j;
else if (k == 1) f = g + h;
else if (k == 2) f = g - h;
else f = i - j;

    

    # MIPS彙編實現程式碼如下
bne $s5, $0, Label1		# branch k!=0
add $s0, $s3, $s4		# k==0 so f=i+j
j Label_Exit			# end of case so Exit
Label1:
addi $t0, $s5, -1		# $t0=k-1
bne $t0, $0, Label2		# branch k!=1
add $s0, $s1, $s2		# k==1 so f=g+h
j Label_Exit			# end of case so Exit
Label2:
addi $t0, $s5, -2		# $t0=k-2
bne $t0, $0, Label3		# branch k!=2
sub $s0, $s1, $s2		# k==2 so f=g-h
j Label_Exit			# end of case so Exit   
Label3:
addi $t0, $s5, -3		# $t0=k-3
bne $t0, $0, Label_Exit	# branch k!=3
sub $s0, $s3, $s4		# k==3 so f=i-j
Label_Exit:

    

    • 

  • 

    DO - WHILE 語句
    

    // C語言原始碼
do {
    g = g + A[i];
    i = i + j;
} while (i != h);

// 改寫為GOTO語句
Label_Loop: 
g = g + A[i];
i = i + j;
if (i != h) goto Label_Loop;

    

    # MIPS彙編實現程式碼如下
Label_Loop:
sll $t1, $s3, 2				#$t1= 4*i
add $t1, $t1, $s5			#$t1=addr A
lw  $t1, 0($t1)				#$t1=A[i]
add $s1, $s1, $t1			#g=g+A[i]
bne $s3, $s2, Label_Loop	#if i!= h goto Label_Loop 

    

    • 



(7) MIPS 支援函式功能的指令


    

  • 

    可同時執行跳轉和儲存返回地址的指令
    

      

    • jal Label：執行步驟 - ①link：將下一條指令地址存入$ra；②jump：向指定的Label跳轉
      • 

    • 一般配合 jr $ra 使用，即 jal Label 存指令到 $ra，並跳轉到呼叫函式的頭部，函式執行完畢後使用jr $ra跳轉到呼叫處的下一條指令，完成一次函式的呼叫
      • 

    

    • 

  • 

    巢狀呼叫的實現
    

      

    • 巢狀呼叫會覆蓋$ra 中的返回地址資訊，故需要另尋他路——使用 Stack 棧
      • 

    

    • 

  • 

    暫存器 $sp 始終指向棧空間最後被使用的位置（可以理解為”棧指標“，棧從下往上遞增，棧指標地址遞減）
    

      

    • 呼叫規則：①將需要儲存的值壓入棧中；②指定引數（如果需要的話）；③jal呼叫函式；④從棧中恢復相關的值
      • 

    • 呼叫過程中的規則：①通過 jal 指令呼叫 , 使用jr $ra指令返回；②最多可接受4個入口引數——$a0, $a1, $a2, $a3；③
      • 

    

    # C語言 原始碼
int sumSquare(int x, int y) { return mult(x, x) + y; }

# MIPS彙編實現
sumSqure:
	addi $sp, $sp, -8		# space on stack
	sw $ra, 4($sp)			# save ret addr
	sw $a1, 0($sp)			# save y
	
	add $a1, $a0, $zero		# prep args
	jal mult				# call mult
	
	lw $a1, 0($sp)			# restore y
	add $v0, $v0, $a1		# mult()+y
	lw $ra, 4($sp)			# get ret addr
	addi $sp, $sp, 8		# restore stack
	jr $ra
	
mult:
	#mult函式

    

    • 



(8) MIPS 通用暫存器使用規範


    

  • 通用暫存器分配（見 4.2.1(2)暫存器使用約定 ）
    • 

  • 特殊暫存器（系統維護）

      

    • $at：編譯器隨時可能使用，最好不要用
      • 

    • $k0~$k1：操作系用隨時可能使用，最好不要用
      • 

    • $gp,$fp：自動維護，無需操作
      • 

    

    • 

  • 儲存暫存器（程式設計師維護）

      

    • $0 ：不能改變，恆為 0
      • 

    • $s0-$s7 ：如果被修改了需要恢復。如果被呼叫函式改變了這些暫存器的值，則必須在函式返回之前將這些暫存器的原始值恢復
      • 

    • $sp ：如果被修改了需要恢復。棧指標在 jal 執行之前或之後必須是指向的同一地址，不然呼叫函式無法從棧里正確恢復資料
      • 

    

    • 

  • 易變暫存器（程式設計師維護）

      

    • $ra ：會改變。 jal 會自動更改這個暫存器值，但呼叫函式需要手動將其值儲存在棧上
      • 

    • $v0~$v1 ：會改變。始終儲存最新的返回值
      • 

    • $a0~$a3 ：會改變。呼叫函式如果在呼叫完成後還要用到這些暫存器中的值，就要在呼叫前將這些值儲存在自己的棧空間內
      • 

    • $t0~$t7 ：會改變。任何函式在任何時候都可以更新這些暫存器中的值；與$a0~$a3類似，呼叫函式時需手動將這些值儲存在棧空間內以防止丟失（被覆蓋）
      • 

    

    • 



(9) MIPS 彙編程式


    

  • 

    組合語言語句
    

      

    • 可執行指令：為處理器生成在執行時執行的機器碼，告訴處理器該做什麼
      • 

    • 偽指令、巨集：由彙編程式翻譯成真正的指令，簡化程式設計人員的工作
      • 

    • 彙編偽指令：當翻譯程式碼時為彙編程式提供資訊，用來定義段、分配記憶體變數等；不可執行 ——彙編偽指令不是指令集的一部分
      • 

    

    • 

  • 

    程式模板
    

      

    • 

      .DATA ：偽指令，定義程式的資料段，程式變數需要在該偽指令下定義，彙編程式會分配和初始化變數的儲存空間
      

      • 

    • 

      .TEXT ：定義程式的程式碼段
      

      • 

    • 

      .GLOBL：偽指令，宣告 一個符號為全域性的，可被其它檔案引用，通常用來宣告一個程式的 main 過程
      

      • 

    

    

    • 

  • 

    資料定義
    

      

    • 

      目的：為變數的儲存劃分記憶體（可能會有選擇的為資料分配標籤）
      

      • 

    • 

      語法：[名字:] 偽指令 初始值 [, 初始值 ] ……
      

      • 

    • 

      資料偽指令
      

      .BYTE ：以 8 位位元組儲存數值表
      

      .HALF ：以 16 位（半字長）儲存數值表
      

      .WORD ：以 32 位（一個字長）儲存數值表
      

      .WORD w:n ：將 32 位數值 w 存入 n 個邊界對齊的連續的字中
      

      .FLOAT ：以 單精度浮點數儲存數值表
      

      .DOUBLE ：以 雙精度浮點數儲存數值表
      

      • 

    • 

      字串偽指令
      

      .ASCII ：為 一個 ASCII 字串分配位元組序列
      

      .ASCIIZ ：與 .ASCII 偽指令類似 , 但字串 以 NULL 結尾
      

      .SPACE n ：為 資料段中 n 個未初始化的位元組分配空間
      

      • 

    • 

      例項
      

      .DATA
var1: .BYTE 	1, 2,'Z'
str1: .ASCIIZ 	"My String\n"
var2: .WORD 	0x12345678

      

      彙編程式會為標籤（也可理解為變數）構建符號表，為每一個數據段的標籤計算地址，如下圖。
      

      

      • 

    

    • 

  • 

    記憶體對齊、位元組序
    

      

    • 

      .ALIGN n - 對下一個定義的資料做 $2^n$ 位元組對齊
      

      • 

    • 

      對齊：字的地址是4的整數倍（即地址的2位最低有效位必須是 $00_b$），半字的地址是2的整數倍
      

      • 

    • 

      位元組序、端
      

      ①小端位元組排序：記憶體地址 = 最低有效位元組 的地址，例子 : Intel IA-32, Alpha
      

      

      ②大端位元組排序：記憶體地址 = 最高有效位元組 的地址，例子 : SPARC, PA-RISC
      

      

      ▲注意：MIPS 可以操作以上兩種位元組序
      

      • 

    

    • 

  • 

    系統呼叫
    

      

    • 

      syscall ：MIPS提供特殊的 syscall 指令，從作業系統獲取服務
      

      • 

    • 

      作用：程式通過系統呼叫實現輸入輸出
      

      • 

    • 

      syscall系統服務流程：①從 $v0 暫存器中讀取服務數；②從 $a0, $a1 等暫存器中讀取引數值（如果有）③傳送 syscall 指令；④從結果暫存器中取回返回值（如果有）
      

      • 

    • 

      程式示例 與 系統服務列表
      

      move $a0, $s0	#copy value of $s0 to $a0
li $v0, 1		#load the service number
syscall			#system service start

      

      • 

    

    

    • 

  • 

    引數傳遞
    

      

    • 

      暫存器方法（使用通用暫存器$a0~$a3）
      

      • 

    • 

      棧方法（使用棧 $sp）
      

      棧適用於以下情況：①不適用使用暫存器時，用來儲存變數 / 資料結構；②過程呼叫中儲存和恢復暫存器；③實現遞迴
      

      • 

    

    • 



(10) 一些小練習


    

  • 

    選擇排序
    

    # Objective: Sort array using selection sort algorithm
# Input:  $a0 = pointer to first, $a1 = pointer to last
# Output: array is sorted in place
##########################################################
sort:
	addiu $sp, $sp, 4 	# allocate one word on stack
	sw $ra, 0($sp)		# save return address on stack
top:
	jal max 			# call max procedure
	lw $t0, 0($a1)		# $t0 = last value
	sw $t0, 0($v0)		# swap last and max values
	sw $v1, 0($a1)
	addiu $a1, $a1, 4 	# decrement pointer to last
	bne $a0, $a1, top 	# more elements to sort
	lw $ra, 0($ sp)		# pop return address
	addiu $sp, $sp, 4
	jr $ra 				# return to caller
	
# Objective: Find the address and value of maximum element
# Input: $a0 = pointer to first, $a1 = pointer to last
# Output: $v0 = pointer to max, $v1 = value of max
##########################################################
max:
	move $v0, $a0 		# max pointer = first pointer
	lw $v1, 0($v0)		# $v1 = first value
	beq $a0, $a1, ret 	# if (first == last) return
	move $t0, $a0		# $t0 = array pointer
loop:
	addi $t0, $t0, 4 	# point to next array element
	lw $t1, 0($t0)		# $t1 = value of A[
	ble $t1, $v1, skip 	# if (A[i] <= max) then skip
	move $v0, $t0 		# found new maximum
	move $v1, $t1
skip:
	bne $t0, $a1, loop 	# loop back if more elements
ret:
	jr $ra

    

    • 

  • 

    遞迴過程
    

    int fact(int n) {
    if (n < 2) return 1;
    else return (n*fact(n-1));
}

    

    fact:
	slti $t0,$a0,2 		# (n<2)?
	beq $t0,$0,else 	# if false branch to else
	li $v0,1 			# $v0 = 1
	jr $ra 				# return to caller
else:
	addiu $sp,$sp, -8 	# allocate 2 words on stack
	sw $a0,4($sp)		# save argument n
	sw $ra,0($sp)		# save return address
	addiu $a0,$a0, -1	# argument = n-1
	jal fact 			# call fact(n-1)
	lw $a0,4($sp)		# restore argument
	lw $ra,0($sp)		# restore return address
	mul $v0,$a0,$v0 	# $v0 = n*fact(n-1)
	addi $sp,$sp,8 		# free stack frame
	jr $ra 				# return to caller

    

    • 



   
 
 
 

             
          

            
  

           

               
              
             

            

            

            
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