计算机组成与设计 Patterson Hennessy 笔记（二）MIPS 指令集

计算机的语言：汇编指令集

也就是指令集。本书主要介绍 MIPS 指令集。

汇编指令

算数运算：

add a,b,c	# a=b+c
sub a,b,c	# a=b-c

MIPS 汇编的注释是 # 号。

由于MIPS中寄存器大小32位，是基本访问单位，因此也被称为一个字 word。MIPS汇编有32个寄存器。寄存器数量是与指令集可行性相关的，不是说摩尔定律越多越好。

接下来把上述抽象字母替换为寄存器表示：

# f=(g+h)-(i+j)
# f,g,h,i,j in s0,s1,s2,s3,s4add $t0,$s1,$s2
add $t1,$s3,$s4
sub $s0,$t0,$t1

MIPS汇编中寄存器用$+两个字符表示。

然后是从存储器中取数据的指令。

# g=h+A[8]
# g,h in s1,s2
# A address in s3
lw $t0,8($s3)	# 用这种方式拿出来
add $s1,$s2,$t0

MIPS采用大端编址，也就是高字节存入低地址。

最低有效位：最右边的位，也就是 MIPS[31:0]的0位。

最高有效位：31位。

如果按字节寻址，正确的偏移量是 offset*4.

比如：计算A[12]=h+A[8]，h在s2，A在s3中。

lw $t0,32($s3)
add $t0,$s2,$t0
sw $t0,48($s3)	# 写回

常数操作：比如 s1+AddrConstant4 里存储了常量4，我们可以 lw $t0,AddConstant4($s1) 把常数取出来。

或者，直接使用立即数。

addi $s3,$s3,4	#加立即数需要用 addi

立即数运算速度快且能耗低。

$zero 寄存器存的是常数0，因为比如数据传送指令可以看做是加0指令，这样可以简化数据传送指令和加法指令合并。

根据使用频率定义一些常数是加速大概率事件的方法之一。

数字存储分为无符号数和补码表示的有符号数，具体算法也不再详细展开~

指令组成

t0-t7是寄存器8-15，s0-s7是寄存器16-23.

比如指令 add $t0,$s1,$s2 机器语言表示（十进制）为：

首先开头的0字段和结尾的32字段代表 add 指令。

17 18是两个源操作数s1 s2。

8是目的操作数t0.

第五个字段没用到置0.

当然底层表示是32位二进制数。MIPS 指令都是32位。

op：操作码。

rs rt：两个源操作数寄存器。

rd：目的操作数寄存器。

shamt：位移量。

funct：功能码，op的变体比如 addi。

但是这种指令格式的缺陷在于长度有时候不够，比如我们要处理的地址或者立即数用5位表示不了（5位归根结底只能表示32个数）。

因此引入了I型指令（用于立即数的指令。上述指令是R型指令，用于寄存器）

最后一个大字段用于表示地址偏移量或者立即数。

两者都是32位指令，因此复杂度没提升太多。但是计算机又怎么判断哪个是R指令，哪个是I指令呢？通过不同的op来判断具体指令格式。

比如lw，代表rs rt是寄存器，后面所有位都是addr值。

上例展示了两种不同指令的机器码。如果没有rd用第二个源操作数寄存器rt代替。

左移：

sll $t2,$s0,4	# t2=s0<<4
and $t0,$t1,$t2	#t0=t1 & t2
or $t0,$t1,$t2	#t0=t1 | t2
nor $t0,$t1,$t2	#t0=~(t1 | t2), 其中一个是0的话相当于 not

条件跳转：

beq $s1,$s2,L1	#两者相等则跳转到L1处
bne $s1,$s2,L1

比如： if(i==j)f=g+h;else f=g-h;

bne $s3,$s4,Else
add $s0,$s1,$s2
j Exit
Else:sub $s0,$s1,$s2
Exit:

循环跳转：类似的跳转比较方法。

Loop:	#循环体
bne $s0,$s1,Exit	#如果两者不等，跳出循环
j Loop
Exit:

小于指令：

slt $t0,$s3,$s4	#t0=1 if s3<s4
sltu $t0,$s3,$s4	#无符号数
slti $t0,$s3,10	#带立即数的比较

因为遵循简单性原则，没有“小于则跳转”的指令。当然我们可以先用slt，再用beq判断t0的值，这样两条简单的指令效率也会更高。

过程（函数）

一个抽象的概念，程序执行中的一部分过程，类似函数。过程不需要知道调用者的全部信息，只需要知道自己完成过程所需要的部分。

涉及到：传入参数，移交控制权给过程，过程返回后获取指定的存储区域来获取过程的返回值。

a0~a3是传入参数，v0 v1是函数返回值，ra是返回起始点的返回地址寄存器。

jal：jump and link，跳转并且把返回值存入ra。然后使用 jr 指令跳回。jr 是无条件跳转到后面寄存器中存储的地址。

jr ra

调用函数的部分是调用者 caller。被调用的函数是 callee。

jal 其实就是把 pc+4 的值存入 ra。

栈

比如函数里我们需要用到更多的寄存器，不止这5个。

我们可以先把原来寄存器的值压入栈，然后把那些寄存器给栈。

栈 sp 还是高地址向低地址增长。

比如函数计算 f=(g+h)-(i+j) 求和。传入四个参数是 a0-a3，f存到 s0 里，以及过程中两个加法运算需要用到两个临时变量 t0 t1。因此这三个寄存器的值需要入栈保存。

入栈代码：

addi $sp,$sp,-12
sw t0,8($sp)
sw t1,4($sp)
sw s0,0($sp)

运算结束后 s0 寄存器中的值应该交给 一个返回值寄存器

add $v0,$s0,$zero

出栈代码：

lw t0,8($sp)
lw t1,4($sp)
lw s0,0($sp)
addi $sp,$sp,+12

不过实际上，MIPS 规定是 s0-s7 系列寄存器要存，callee 存和恢复。t0-t9 系列不用。

嵌套过程

不调用其他过程的过程叫叶过程。不过我们知道只由叶过程组成的程序很少。

非叶过程必须压栈所有必须保留的寄存器，caller 保存 a0-a3 参数寄存器和 t0-t9 临时寄存器，callee 保存 s0-s7 保存寄存器和 ra 返回地址。callee 保存的寄存器能保证调用时和返回时的值是一样的，而临时寄存器和参数寄存器返回时值可变。 因此如果 caller 自己留着 t 系列有用你就自己保存一下，别指望 callee 保存；没用就不用存。

比如一个递归代码，c 语言表示如下：

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

MIPS 汇编代码：

首先先盘点一下非叶过程要用的寄存器。

• 计算步骤比较简单不用保存临时寄存器。

• n 是 a0 参数需要保存。

• ra 需要保存。

• s0-s7 没用到。

也就是只有 a0 ra 需要保存。然后再判断一下在什么位置保存？caller 还是 callee？

每次调用 fact 函数时，fact 函数是 callee，自己保存 ra。如果 fact 又递归调用了下一个自己，那么他自己又变成了 caller，需要保存 a0. （或者另一种逻辑：每次都保存 ra 和 a0，如果递归调用了自己则恢复 ra a0，否则不用恢复 ra a0 因为值没变）

fact:addi $sp,$sp,-8sw   $ra,4($sp)sw   $a0,0($sp)slti $t0,$a0,1		# 判断是否 <1beq  $t0,$zero,L1	# >=1 则准备进入下一层循环addi $v0,$zero,1addi $sp,$sp,8jr   $ra			# ra a0 值没变，这里把栈指针恢复一下，返回值赋值一下就结束函数了L1:addi $a0,$a0,-1jal  fact			# 递归调用非叶过程lw   $ra,4($sp)lw   $a0,0($sp)addi $sp,$sp,8		# 恢复寄存器原值mul  $v0,$a0,$v0    # 乘上本轮递归的 njal  $ra

补充：全局和 static 变量是静态的，静态变量存放在静态数据区中，在过程进入和退出过程中也存在，而动态变量只在过程中存在，在过程进入和退出过程中不存在。MIPS 有一个 global pointer $gp 指向静态数据区。

递归过程开销还是比较大的，尽量用迭代代替会好一些？

过程帧

有些过程内部一部分寄存器也要压栈，这部分寄存器和局部变量片段叫做过程帧或活动记录。

部分 MIPS 软件会使用 $fp 帧指针和 $sp 共同标识哪一部分是过程帧，也有的软件会使用寄存器来保存过程帧的指针。

帧指针还可以保存超过4个的参数，超出部分可以根据帧指针在内存中找到其位置。

当然一个很重要的原则还是：过程返回前，必须把这一部分恢复为空。

代码段

在堆中要为静态变量和动态数据提供空间。

正文：代码段。

静态数据：全局和 static 变量。

动态：动态变量。

c语言中分配释放堆空间通过显式的 malloc 和 free 函数。缺点在于忘记手动释放容易导致内存泄露，释放早了又会产生 dangling pointer 悬摆指针，程序指向不想指向的位置。而 java 就会自动内存分配和回收无用单元 XD

这是 MIPS 保存的寄存器约定。这算作是一种加速大概率事件，因为统计证明保存8个寄存器和10个暂存器在大多数时候已经足够。

人机交互

如今计算机大多使用8位字节来表示字符，又名 ASCII 码。

lb sb：只读取写入一个字节，到目标寄存器的最右边八位。

字符通常被组合成字符串的形式。标志字符串长度有三种方案：1. 字符串首位是其长度；2. 使用单独的变量存储字符串长度；3. 使用特殊的结束符标识字符串的结束，c语言采用的是方案3，使用 \0 标识。

比如对于一个字符串复制的实现，c语言的逻辑为：循环遍历一位位复制字符，直到碰到 \0 为止。

假设目标数组和源数组基址在 $a0 $a1 中，i 存储在 $s0 中。

strcpy:addi $sp,$sp,-4sw   $s0,0($sp)add  $s0,$zero,$zero	# i置0L1:add  $t1,$a1,$s0		# t1存放源数组的当前指针lbu  $t2,0($t1)			# 无符号字节读取add  $t3,$a0,$s0		# t1存放目标数组的当前指针sbu  $t2,0($t3)beq  $t2,$zero,L2		# 跳出结束复制addi $s0,$s0,1			# 这里和之前以字为单位做处理不同，我们是以字节为单位做处理，因此i++而不是i+4L2:lw   $s0,0($sp)addi $sp,$sp,4jr   $ra

java 采用的是更通用的 Unicode （现如今大多数 Web 页面采用的方案）保存字符，单位是16位。MIPS 可以直接通过 lh sh lhu shu 来读取写入半字长正好一个字符长。因此 java 字符串占用内存是 c 的两倍，但是字符串操作更快。

java 使用一个字来存储字符串总长。

因为 MIPS 的栈地址必须按字对齐，因此 c 中一个 char 8位，哪怕有5个 char，也会分配8个 char 的长度来对齐2字。java 的半字也是类似的需要对齐机制。

32位立即数

正常立即数都是16位的嘛，但是我们有时候需要他更长，到 32位。

lui load upper immediate 指令可以把16位立即数复制到寄存器的高16位中。

这样比如一个32位数我们可以先 lui 前16位到一个寄存器中，再插入低16位 ori。

MIPS 中有一个专门的 $at 寄存器来临时存储32位立即数。

不过需要注意使用32位立即数和16位立即数，比如 addi 和逻辑操作时高16位都是参与运算的（16位立即数的高16位逻辑运算视作全0）。

寻址

J 系列跳转指令是6位操作码+26位跳转地址，跳转范围是2^26.

条件分支 b 系列指令因为还需要位存放待比较的寄存器，构造为6位操作码+5位寄存器1+5位寄存器2+16位地址。

如果这个16位地址就代表目标地址，那就局限了能跳转的地址范围是 2^16 个字，那程序总长不能超过这个范围了，那也太没意思了。

为此，采取的方案是：这16位地址是偏移地址，跳转方式是当前基址+16位偏移地址（一位符号位，也就是±2^15）。因为大部分循环指令 条件指令都小于 2^15（这也是一种加速大概率事件），所以这种做法很够用。这种方法叫做 PC 相对寻址。

而且 MIPS 地址都是按字对齐的，所以相较字节地址，能寻址范围扩大了4倍，比如 j 系列寻址范围是 2^28 的字节地址。

但是 PC 地址不是32位的吗？实际上其中只有低28位可以被跳转指令修改。如果程序大小超过了 2^28，需要通过寄存器跳转方式跳转。

b 系列是相对寻址，且相对下一条指令，也就是 80016 处的 addi $s3,$s3,1 跳转到 80032 处的 Exit，即 8+80016.

j 系列是直接寻址，20000*4=80000 跳转。

这也是一种有趣的思想，我说总是感觉条件取反汇编和正常 if 思维不太一样呢。

MIPS 的寻址模式总的来说有以下几种：

基址寻址：给定寄存器中地址+偏移地址。

伪直接寻址：PC 高位和26位形式地址拼接而成。

虽然本书中 MIPS 是32位寻址，但几乎所有微处理器都可以扩展到64位寻址，向上兼容。

并行与同步指令

并行执行任务时同步机制就比较重要，防止数据竞争。

这里和学操作系统的时候感觉很像。通过互斥锁对一组数据进行原子读写操作。

我们采用指令对：链接取数+条件存数 ll+sc 来实现。

again:	addi $t0,$zero,1		; 尝试上锁=1ll	$t1,0($s1)				; 获取 s1 初始值sc	$t0,0($s1)				; 保存 s1 值。如果发现 ll 获取值和 sc 保存值不同，t0 置零beq	$t0,$zero,again			; 如果 t0 又变成0了，执行失败，重新执行add $s4,$zero,$t1			; 做操作

后面章节还会再深入展开滴。

翻译执行程序

早期硬件存储容量小且编译器效率不高，都是写汇编的。

汇编器支持一些机器语言的变种，比如 move 指令，实际是 add $t0,$zero,$t0 ，汇编器也能翻译，但是其实没有 move 指令，这类指令叫伪指令。

汇编器将，叫符号表。

汇编文件生成的目标文件包含：

• 目标文件头：描述目标文件组成，大小，位置等信息。
• 代码段
• 静态数据段
• 重定位信息：一些依赖于绝对地址的指令和数据。
• 符号表：未定义的剩余标记（如分支和数据传输指令中的标号都放到一个表中待查阅，表中数据由标号和地址成对组成），如外部引用。
• 调试信息。

链接器将各个机器语言目标文件组合起来变为可执行文件。这其中主要经历的步骤如下：

• 根据文件中的重定位信息和符号表，把各个文件中的旧地址组合起来做成新地址。为什么不一开始就生成可执行文件并设定好新地址，而非要各个文件编译成单独目标文件后再重新修改？因为这样修改效率更快。
• 解析完外部链接后，链接器再决定所有模块在内存中的位置并用重定位的绝对地址表示。先处理绝对的地址，再布局剩下的相对地址。

总的来说可执行文件和目标文件是相同格式的，但是其中不包含未解决的引用（除非是一些外部链接，比如链接到库函数）。

例题：如下是 A B 两个目标文件，链接并给出更新后的地址。

1. 处理外部引用。A 引用了 XB，B引用了 YA。
2. 代码段从 0x400000 处开始，数据段从 0x10000000 处开始，所以 A 代码段是 0x400000-0x400100（过程 A 文件头标识了他的正文大小，没有用到 0x400100），数据段是 0x10000000-0x10000020，B 紧随其后，代码段是 0x400100-0x400300，数据段是 0x10000020-0x10000050。
3. 两者第一条跳转指令是跳转到对方的第一条指令位置。jal：伪直接寻址，则 jal 跳转地址就是对方第一条指令的地址，a 是跳到 400100，b 是跳到 400000. 再加上 jal 跳转规则是丢弃最左边两位（实际跳转是基址+4* jal），两者实际跳转地址是 100040 和 100000. 指令是递增增长的
4. gp 初始地址是 0x10008000，存取数据是依靠基址寄存器存取，实际取指地址想取到 0x10000000 的话偏移量应为 0x8000. 大端数据是递减增长的

创建好了可执行文件后，加载器来把数据指令放入内存。

1. 读取文件头，知晓代码段和数据大小；
2. 创建足够大的正文和数据空间；
3. 复制数据指令；
4. 主函数参数复制入栈顶，栈指针指向空；
5. 跳转到启动例程，复制参数并调用程序的 main 函数；main 函数返回时，调用 exit 终止程序。

前面提到的这种链接方式是静态链接，缺点在于如果库函数更新了，之前连接过的库函数也没变。而且也会导致尽管不是用到了库中的所有内容，库还是会被全部加载进来，程序会很大。

而动态链接 DLL 是运行的时候才链接库。一开始的动态链接也是会添加所有库中的内容的，晚过程连接的 DLL 是只会链接调用的例程。

第二次就避免了一些间接跳转。

java 程序的执行经过两个步骤。

1. javac 编译 java 语言变为 class 二进制字节文件。
2. jvm 逐条解释翻译字节码文件。

jvm 效率太低了，后来又出现了 JIT 即时编译器辅助，会将运行频繁的代码块认定为“热点代码”，编译为与本地平台相关的机器码并进行优化来提高效率。

项目示例：sort

sll $t0,$a1,2
add $t1,$a0,$t0
lw  $t2,0($t1)
lw  $t0,4($t1)
sw  $t0,4($t1)
sw  $t2,0($t1)
jr ra

循环1：

move $s0,$zero
for1tst:slt  $t0,$s0,$a1beq  $t0,$zero,$exit1...for loop 2...addi $s0,$s0,1j    for1tst
exit1:

循环2：不要动循环1里的 s 寄存器，可以随便重新改 t 寄存器。

addi $s1,$s0,-1
for2snd:slti $t0,$s1,0bne  $t0,$zero,$exit2sll  $t1,$s1,2add  $t2,$t1,$a0lw   $t3,0($t2)lw   $t4,4($t2)slt  $t0,$t4,$t3beq  $t0,$zero,$exit2...swap...addi $s1,$s1,-1j for2snd
exit2:

swap 调用：先存原来的参数寄存器，再修改参数寄存器。

# 传参
move $s2,$a0
move $s3,$a1
move $a0,$s2
move $a1,$s1jal swap

最后在合并之前，开头和结尾我们还要加上对保存换源寄存器的操作。我们用到了 s0-s3，所以要保存 s0-s3 和 ra。

sort:addi $sp,$sp,-20sw   $ra,16($sp)sw   $s3,12($sp)sw   $s2,8($sp)sw   $s1,4($sp)sw   $s0,0($sp)move $s2,$a0move $s3,$a1 # 不管是否要调用，先存一下参数move $s0,$zerofor1tst:slt  $t0,$s0,$a1beq  $t0,$zero,$exit1addi $s1,$s0,-1for2snd:slti $t0,$s1,0bne  $t0,$zero,$exit2sll  $t1,$s1,2add  $t2,$t1,$a0lw   $t3,0($t2)lw   $t4,4($t2)slt  $t0,$t4,$t3beq  $t0,$zero,$exit2move $a0,$s2move $a1,$s1jal swapaddi $s1,$s1,-1j for2sndexit2:addi $s0,$s0,1j    for1tstexit1:lw   $ra,16($sp)lw   $s3,12($sp)lw   $s2,8($sp)lw   $s1,4($sp)lw   $s0,0($sp)addi $sp,$sp,20jr   $ra

调用 swap 函数的部分也许可以通过内联的方式优化，即把交换操作直接展开而不是调用函数，减少跳转开销。但是因此代码量增加，如果 cache 缺失率增加，反而得不偿失了。

另外，实际上 $sp 总是保存4个参数寄存器 -16. 因为 c 会有一个可变参数 vararg 选项，允许一个指针参数。

数组与指针

数组是下标*4 加到数组基址上，指针是数组基址+=4.

如下程序示例是数组清零的两种实现：

对比其他指令集

1. ARM 架构：
   • ARM（Advanced RISC Machines）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，广泛用于移动设备、嵌入式系统、嵌入式芯片和微控制器等领域。
   • ARM 设计注重能效和低功耗，因此在移动设备领域表现出色。
   • ARM 架构具有多个版本和变体，包括 ARMv7、ARMv8 等，其中 ARMv8 引入了 64 位执行模式（AArch64）。
2. x86 架构：
   • x86 架构是一种复杂指令集计算机（CISC）架构，主要用于个人计算机、服务器和桌面系统。
   • x86 架构的代表性处理器包括 Intel 的 Pentium、Core i 系列和 AMD 的 Ryzen 系列。
   • x86 架构在性能和功能上具有很高的灵活性，适用于广泛的计算任务。
3. MIPS 架构：
   • MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，早期在工作站和嵌入式系统中广泛使用。
   • MIPS 设计注重简化指令集，以提高执行效率。
   • 尽管在一些领域使用逐渐减少，但MIPS架构仍然在某些嵌入式、网络设备和嵌入式控制器中有所应用。

by gpt

比如，arm 的比较和条件分支：MIPS 是把比较结果存在一个寄存器中，ARM 是比较结果设置为条件码，包括：负数，零，进位，溢出。比如 CMP 比较将两个寄存器值相减，结果设置条件码。

这样 arm 拥有的寄存器数量少一倍（16个）但是仍然能完成任务，而且某些情况下根据条件码会直接跳过不需要执行的指令，节省代码空间的同时也节省了运行时间。

arm 的立即数：4+8 的扩展形式。

也支持对第二个寄存器参数做移位操作，同样位数能表示更多数据。

arm 也支持对寄存器组操作，通过16位掩码决定加载 / 复制16位寄存器中的哪些寄存器。

x86 的缺点主要在于寻址范围有限，而且 cisc 拖慢效率。

总的来说，MIPS 指令规整，长度统一，只采用32个寄存器来保证对速度的要求，通过加速大概率事件等思想来优化指令组成。