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计算机指令集与MIPS体系结构

一、引言

  • 计算机语言：计算机通过指令集（instruction set）与程序员交互，指令是计算机语言的基本单词。
  • 指令集形式：
  • 汇编语言：程序员书写的助记符形式，便于人类理解。
  • 机器语言：计算机识别的二进制形式。
  • 研究方法：自顶向下，从汇编语言逐步深入到机器语言，揭示硬件实现原理。
  • 后续内容：第3章将探讨算术运算硬件和浮点数表示。

二、指令集概述

  • 定义：指令集是一个给定计算机体系结构所包含的全部指令集合。
  • 特点：
  • 不同机器语言类似，差异如同“方言”，核心操作一致。
  • 指令集设计目标：便于硬件和编译器设计，优化性能，降低成本和功耗。
  • MIPS指令集：
  • 自20世纪80年代起，成为优秀指令集的代表。
  • 与ARMv7、Intel x86、ARMv8等主流指令集对比，MIPS具有简洁性和规整性。
  • 其他指令集：
  • ARMv7：2011年产量超90亿片，最流行指令集。
  • Intel x86：主导PC和云计算领域。
  • ARMv8：扩展到64位地址，更接近MIPS设计。
  • 设计原则（1947年，von Neumann）：
  • 设备简单性：指令集需简化硬件设计。
  • 指令集应高效解决实际问题，提升处理速度。

三、存储程序概念

  • 定义：指令和数据以数字形式存储于存储器中，奠定了现代计算机基础。
  • 优势：
  • 程序和数据统一存储，简化硬件和软件设计。
  • 计算机可灵活切换功能（如从记账到文字编辑）。
  • 支持编译器、编辑器等程序运行，增强通用性。

四、MIPS指令集详解

1. 操作数

  • 寄存器：
  • 32个32位寄存器（如$s0-$s7、$t0-$t9、$zero等）。
  • 用于快速数据存取，算术运算仅对寄存器操作。
  • $zero恒为0，$at为汇编器保留。
  • 存储器：
  • 通过数据传输指令（如lw、sw）访问。
  • 按字节编址，字地址间隔为4字节。
  • 用于存储数据结构、数组及寄存器溢出数据。

2. 汇编语言指令

  • 算术指令：
  • add $s1, $s2, $s3：$s1 = $s2 + $s3。
  • sub $s1, $s2, $s3：$s1 = $s2 - $s3。
  • addi $s1, $s2, 20：$s1 = $s2 + 20（立即数加法）。
  • 数据传输指令：
  • lw $s1, 20($s2)：从内存$s2+20加载字到$s1。
  • sw $s1, 20($s2)：将$s1存入内存$s2+20。
  • 支持半字（lh、sh）、字节（lb、sb）及无符号操作（lhu、lbu）。
  • 逻辑指令：
  • 移位：sll（逻辑左移）、srl（逻辑右移）。
  • 按位操作：and、or、nor、andi、ori。
  • nor用于取反，andi/ori支持立即数。
  • 条件分支：
  • beq $s1, $s2, L1：若$s1==$s2，跳转到标签L1。
  • bne $s1, $s2, L1：若$s1!=$s2，跳转到标签L1。
  • 无条件跳转：
  • j 2500：跳转到目标地址。
  • jr $ra：跳转到寄存器$ra指定地址。
  • jal 2500：跳转并链接，保存返回地址。

3. 指令格式

  • R 型指令 (Register Type):

    • 格式: opcode | rs | rt | rd | shamt | funct (6 | 5 | 5 | 5 | 5 | 6 bits)
    • 特点: 主要用于寄存器之间的操作。指令中包含源寄存器（rs 和 rt）和目标寄存器（rd）的地址。shamt 字段用于移位指令，funct 字段与 opcode 一起确定具体的操作。
    • 例子: add, sub, and, or, slt (set on less than), sll (shift left logical), srl (shift right logical)。

    • I 型指令 (Immediate Type):

    • 格式: opcode | rs | rt | immediate (6 | 5 | 5 | 16 bits)

    • 特点: 用于涉及立即数（直接编码在指令中的常数）的操作。指令中包含一个源寄存器（rs）、一个目标寄存器（rt，有时也作为源）和一个 16 位的立即数。
    • 应用:
      • 算术/逻辑运算（带立即数）: addi (add immediate), andi, ori。
      • 数据传输（加载/存储）: lw (load word), sw (store word)。基地址在 rs 中，偏移量是 immediate，数据在 rt 中（对于 lw 是目标，对于 sw 是源）。
      • 条件分支: beq (branch on equal), bne (branch on not equal)。比较 rs 和 rt 的值，如果条件满足，则跳转到由 immediate 计算出的地址。

    • J 型指令 (Jump Type):

    • 格式: opcode | target address (6 | 26 bits)

    • 特点: 用于无条件跳转。指令中包含一个 26 位的目标地址字段。
    • 例子: j (jump), jal (jump and link)。jal 在跳转前会将返回地址（当前指令的下一条指令地址）保存到 $ra 寄存器中，常用于函数调用。
    • 设计原则：
    • 简单源于规整：固定指令长度（32位），统一格式。
    • 越小越快：限制寄存器数量（32个）以加速时钟周期。

4. 机器语言

  • 定义：指令的二进制表示，称为机器码。
  • 编码：
  • 操作码（op）：指明指令类型。
  • 寄存器字段（rs、rt、rd）：指定操作数。
  • 功能码（funct）：R型指令的特定操作。
  • 地址/立即数字段：I型指令的偏移量或常数。
  • 十六进制表示：便于人类阅读，每4位二进制对应1位十六进制。

五、计算机硬件操作

1. 算术运算

  • 格式：add a, b, c（a = b + c），固定3个操作数。
  • 编译示例：
  • C语句：a = b + c; d = a - e;
  • MIPS：add $s1, $s2, $s3; sub $s4, $s1, $s5
  • 复杂语句：f = (g + h) - (i + j);
  • MIPS：add $t0, $s1, $s2; add $t1, $s3, $s4; sub $s0, $t0, $t1
  • 设计原则：固定操作数简化硬件设计。

2. 存储器操作

  • 寄存器 vs 存储器：
  • 寄存器：快速访问，数量有限（32个）。
  • 存储器：容量大，访问慢，存储数组/结构。
  • 数据传输：
  • lw：从存储器加载字到寄存器。
  • sw：从寄存器存储字到存储器。
  • 示例：g = h + A[8]; → lw $t0, 32($s3); add $s1, $s2, $t0
  • 字节编址：
  • MIPS按字节编址，字地址为4的倍数（对齐限制）。
  • 大端编址：字地址为最左边字节地址。
  • 寄存器溢出：编译器通过lw/sw将变量“溢出”到存储器。

3. 立即数操作

  • 加立即数：addi $s3, $s3, 4（$s3 += 4）。
  • 优势：避免从存储器加载常数，加速执行，降低功耗。
  • 零寄存器：$zero恒为0，简化指令设计。

六、有符号数与无符号数

1. 数的表示

  • 二进制：计算机以二进制位（bit）表示信息，0或1。
  • 字：MIPS中32位为一字，最高有效位（MSB）为31位，最低有效位（LSB）为0位。
  • 无符号数：
  • 范围：0到2³²-1（4,294,967,295）。
  • 示例：1111...1111₂ = 4,294,967,295₁₀。
  • 有符号数（二进制补码）：
  • 范围：-2³¹到2³¹-1（-2,147,483,648到2,147,483,647）。
  • 符号位：MSB为0表示正，1表示负。
  • 示例：1111...1100₂ = -4₁₀。

2. 二进制补码

  • 优点：
  • 符号位直接判断正负，简化硬件实现。
  • 避免正负零问题（相比符号和幅值表示法）。
  • 求反：按位取反后加1（如2₁₀ → -2₁₀）。
  • 符号扩展：将16位数扩展到32位，复制符号位到高位。
  • 溢出：操作结果超出表示范围，符号位错误。

3. 其他表示法

  • 反码：
  • 负数为按位取反，正负零存在，需额外加法修正。
  • 示例：最小负数100...000₂ = -2,147,483,647₁₀。
  • 偏移表示法：
  • 用于浮点数，最小负数为00...000₂，最大正数为11...111₂。

七、逻辑操作

  • 移位：
  • sll $t2, $s0, 4：左移4位（乘以2⁴）。
  • srl $t2, $s0, 4：右移4位（除以2⁴）。
  • 按位操作：
  • and $t0, $t1, $t2：按位与，用于掩码。
  • or $t0, $t1, $t2：按位或。
  • nor $t0, $t1, $t3：或非，单操作数取反（$t3=0）。
  • 立即数逻辑：
  • andi $t0, $t1, 20：与常数按位与。
  • ori $t0, $t1, 20：与常数按位或。

八、决策与循环

1. 条件分支

  • 指令：
  • beq $s1, $s2, L1：相等则跳转。
  • bne $s1, $s2, L1：不相等则跳转。
  • 编译示例：
  • C语句：if (i == j) f = g + h; else f = g - h;
  • MIPS： asm bne $s3, $s4, Else add $s0, $s1, $s2 j Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 Exit:

2. 循环

  • 示例：
  • C语句：while (save[i] == k) i += 1;
  • MIPS： asm Loop: sll $t1, $s3, 2 add $t1, $t1, $s6 lw $t0, 0($t1) bne $t0, $s5, Exit addi $s3, $s3, 1 j Loop Exit:
  • 基本块：无分支（除末尾）和分支目标（除开头）的指令序列。

3. 小于比较

  • 指令：
  • slt $t0, $s3, $s4：若$s3 < $s4，$t0 = 1，否则0。
  • slti $t0, $s2, 10：立即数版本。
  • sltu/sltiu：无符号比较。
  • 边界检查：
  • 示例：检查$s1 < $t2且$s1 ≥ 0。
  • MIPS：sltu $t0, $s1, $t2; beq $t0, $zero, IndexOutOfBounds

4. case/switch语句

  • 实现：
  • 转化为if-then-else嵌套。
  • 或使用转移地址表（jump table），通过jr指令跳转。
  • 转移地址表：存储指令序列地址的数组，程序索引表跳转。

九、硬件/软件接口

  • 编译器职责：
  • 变量分配寄存器，数据结构分配存储器。
  • 生成分支和标签，简化程序员工作。
  • 寄存器优势：
  • 访问速度快、吞吐率高、功耗低。
  • 编译器需高效利用寄存器，溢出变量存回存储器（spilling）。
  • 指令集设计：
  • 避免复杂指令（如“小于则分支”），保持简单性。
  • 使用slt、beq等组合实现所有比较条件。

十、总结

  • 核心概念：
  • 指令集是计算机与程序员的桥梁，MIPS以简洁高效著称。
  • 存储程序概念赋予计算机通用性，指令和数据统一存储。
  • MIPS指令集通过R型和I型格式平衡功能与简单性。
  • 设计原则：
  • 简单源于规整。
  • 越小越快。
  • 优秀设计需折中。
  • 应用：
  • 通过MIPS编程理解计算机硬件操作。
  • 编译器优化对性能影响显著，寄存器管理是关键。