第二章 指令：计算机的语言

第二章指令：计算机的语言第二章指令：计算机的语言2.1引言2.2计算机硬件的操作2.3计算机硬件的操作数2.4有符号和无符号数2.5计算机中指令的表示2.7决策指令2.8计算机硬件对过程的支持2.9人机交互2.10MIPS中32位立即数和地址的寻址2.11并行与指令：同步2.12翻译并执行程序2.13以一个C排序程序为例2.14数组与指针2.15高级内容：编译C语言和解释JAVA语言2.16实例：ARM指令集2.17实例：X86指令集2.18谬误与陷阱2.19本章小结2.1引言一台计算机的全部指令称为该计算机的指令集计算机设计者的目标：找到一种语言，可方便硬件和编译器的设计性能最佳、成本和功耗最低MIPS指令集ARM和X86指令集：CISC和RISC2.2计算机硬件的操作一条指令的例子：adda,b,c操作数和操作码：寄存器和存储器MIPS指令类别(P44)：简单源于规整算术数据传输逻辑条件分支无条件跳转一个例子：P45高级语言和汇编语言例1：a=b+c编译结果：adda,b,c例2：f=(g+h)-(i+j);编译结果：addt0,g,h#temporaryvariablet0containsg+haddt1,i,j#temporaryvariablet1containsi+jsubf,t0,t1#fgetst0-t1,whichis(g+h)-(i+j)2.3计算机硬件的操作数寄存器：字（MIPS32位）设计原则：越少越快将程序变量和寄存器对应起来是编译器的工作例：f=(g+h)-(i+j);变量fghij依次分配给寄存器$s0,$s1,$s2,$s3,$s4,求编译后的MIPS代码add$t0,$s1,$s2#register$t0containsg+hadd$t1,$s3,$s4#register$t1containsi+jsub$s0,$t0,$t1#fgets$t0-$t1,whichis(g+h)-(i+j)2.3.1存储器操作数复杂数据结构放在存储器中数据传送指令：存储器寄存器取数指令：lw;存数指令：sw例：g=h+A[8]lw$t0,8($s3)#temporaryreg$t0getsA[8]add$s1,$s2,$t0#g=h+A[8]8为偏移量，$s3为基址寄存器存储器操作数（续）编译器在存储器中为数组和结构数据分配位置字节地址VS字地址对齐限制：字的地址必须为4的倍数大端（bigend)和小端（littleend)例（略，p48)编译器尽量将常用的变量保持在寄存器中，其他的变量放在存储器中。将不常使用的变量存回到存储器中的过程叫“溢出”。编译器必须高效使用寄存器：高性能和节省功耗2.3.2常数或立即操作数其中一个操作数是常数的算术运算指令addi$s3,$s3,4加速执行常用操作：速度快，能耗低常数0可以简化指令集：数据传送指令MIPS将寄存器$zero恒置为0讨论：寄存器数目随时间如何变化？好像摩尔定律？2.4有符号和无符号数二进制、字、最低有效位、最高有效位讨论：如何表示符号？补码：求补码的方法：按位取反，末位+1-00000000000000101111111111111101111111111111111100000000000000010的补码？2.5计算机中指令的表示计算机中指令和数都是二进制代码指令格式：指令布局MIPS指令32位，与数据字的位数相等指令的数字形式：机器语言…000001000000000100100000100100000011010000001001…MIPS指令字段取字指令：需要两个寄存器和一个常数，因此限制了操作数的范围。——优秀的设计需要适宜的折中方案I型指令R型指令：用于寄存器；I型指令：用于立即数和数据传送指令lw$t0,32($s3)#temporaryreg$t0getsA[8]198MIPS汇编中，$s0-$s7映射到寄存器16-23$t0-$t7映射到8-15MIPS指令编码如何判断指令是哪种格式？计算机中指令的表示—重点指令用数的形式表示和数一样，程序存储在存储器中，并且可以读写存储程序概念“二进制兼容”2.6逻辑操作对字中的若干位打包或拆包的操作移位：左移（sll)、右移(srl)左移相当于乘2sll$t2,$s0,4#reg$t2=reg$s04bits按位与：可将源操作数中某些位置0，“掩码”and$s0,$t1,$t2#&按位或：任意一个操作数为1，则结果为1or$s0,$t1,$t2#|按位取反：nor$s0,$t1,$t2#~00161040oprsrtrdshamtfunct2.7决策指令beqregister1,register2,L1#如果相等则分支bneregister1,register2,L1#如果不相等则分支例：将if-then-else语句编译成条件分支指令if(i==j)f=g+h;elsef=g-h#fghij依次对应$s0-$s4的寄存器bne$s3,$s4,Else#gotoElseifi≠jadd$s0,$s1,$s2#f=g+h(skippedifi≠j)jExit#gotoExit,无条件分支Else:sub$s0,$s1,$s2#f=g-h(skippedifi=j)Exit:汇编器完成分支指令的地址计算，编译器创建标签2.7.1循环例：编译C语言while循环语句while(save[i]==k)#save的基址在$s6i+=1#i,k放在$s3和$s5中解答：1.Loop:sll$t1,$s3,2#tempreg$t1=i*42.add$t1,$t1,$s6#t1=addressofsave[i]3.lw$t0,0($t1)#tempreg$t0=save[i]4.bne$t0,$s5,exit5.addi$s3,$s3,16.jLoop7.Exit:基本块：没有分支且没有分支目标/分支标签的指令序列编译的最初任务之一就是把程序分解为基本块其他决策指令slt$t0,$s3,$s4#$t0=1if$s3$s4slti$t0,$s2,10#$t0=1if$s210sltu,sltiu:无符号数，将有符号数作为无符号数来处理，是一种检验0=xy的低开销方法，常用于检查数据的下标是否越界Sltu$t0,$s1,$t2#$t0=0if$s1=lengthor$s10Beq$t0,$zero,IndexOutofBounds#ifbad,gotoerror负数的补码在无符号数中看起来是一个很大的数2.7.2case/switch语句转移地址表：由代码中标签所对应的地址构成的数组表中的项首先加载到寄存器中jr:寄存器跳转指令2.8计算机硬件对过程的支持过程运行期间，程序遵循6个步骤将参数放在过程可以访问到的位置将控制转移给过程获得过程需要的存储资源执行请求的任务将结果的值放在调用程序可以访问到的位置将控制返回初始点，一个过程可能由多个点调用MIPS在为过程分配寄存器时遵循以下约定$a0-$a3:用于传递参数的4个寄存器$v0-$v1:用于返回值的2个寄存器$ra:用于返回起始点的返回地址寄存器跳转链接指令跳转链接指令：跳转到某个地址时同时保存下一条指令的地址到$rajalProcedureAddress#指向调用点的地址调用者将参数值放在$a0-$a3;使用jalX跳转到过程X；被调用者执行运算，结果放在$v0和$v1;使用jr$ra指令将控制返回给调用者。PC:程序计数器。jal将PC+4保存在$ra中。程序计数器的作用？2.8.1使用更多的寄存器调用者使用的任何寄存器必须恢复到过程调用前的值栈：换出寄存器使用的数据结构栈指针：$sp栈操作：压栈、出栈栈“增长”方向：地址从高到底例：编译一个C过程intleaf_example(intg,inth,inti,intj){intf;f=(g+h)-(i+j);returnf;}解答（p67,图2-10）参数变量ghij对应参数寄存器$a0-$a3，f对应$s0.编译结果：Leaf_example:addi$sp,$sp,-12#adjuststacktomakeroomfor3itemssw$t1,8($sp)#saveregister$t1foruseafterwardssw$t0,4($sp)#saveregister$t0foruseafterwardssw$s0,0($sp)#saveregister$s0foruseafterwardsadd$t0,$a0,$a1#register$t0containsg+hadd$t1,$a2,$a3#register$t1containsi+jsub$s0,$t0,$t1#f=$t0-$t1,whichis(g+h)-(i+j)add$v0,$s0,$zero#returnsf($v0=$s0+0)lw$s0,0($sp)#restoreregister$s0forcallerlw$t0,4($sp)#restoreregister$t0forcallerlw$t1,8($sp)#restoreregister$t1forcalleraddi$sp,$sp,12#adjuststacktodelete3itemsjr$ra#jumpbacktocallingroutine压栈出栈执行过程返回临时寄存器和保留寄存器为避免保存和恢复一个其值未被使用过的寄存器$t0-$t9:10个临时寄存器，过程调用中不必保存；$s0-$s7:8个保留寄存器，过程调用中必须保存2.8.2嵌套过程（略）静态变量和动态变量C语言中一个变量对应内存中的一个位置：类型和存储方式动态：过程中的变量，只在过程中有效静态：过程内外，始终存在。全局和static声明的变量MIPS全局指针：$gp保留不保留保存寄存器：$s0-$s7临时寄存器:$t0-$t9栈指针寄存器:$sp参数寄存器:$a0-$a3返回地址寄存器:$ra返回值寄存器:$v0-$v1栈指针以上的栈栈指针以下的栈2.8.3在栈中为新数据分配空间栈还保存过程中的局部变量：局部数据、结构体过程帧（或活动记录）栈中包含过程所保存的寄存器和局部变量的片段帧指针：$fp2.8.4在堆中为新数据分配空间MIPS分配内存的约定栈由内存高端开始并向下生长堆：在栈之下反方向生长静态数据段：常量和其他静态数据正文：机器代码的第一部分保留段C语言通过显式的函数调用在堆上分配和释放空间：malloc(),free()MIPS汇编语言寄存器约定（p71)2.9人机交互ASCII码讨论：如何表示十进制数？MIPS字节传输指令：lb、sb、lbu、sbu字符串：字符串复制过程的编译（略）2.10MIPS中32位立即数和地址的寻址指令长度32，如何加载32位常量？lui:设置寄存器中常数的高16位加载32位常量00000000001111010000100100000000•lui$s0,61#61是高16位•ori$s0,2304#2304是低16位2.10.132位立即数问题：指令中的立即数放在哪里？2.10.2分支和跳转中的寻址J型指令：除了6位操作码，其他都是地址字段j10000#gotolocation10000分支寻址：只有16位用于指定分支地址，则程序不能大于216？程序计数器=寄存器+分支地址PC相对寻址：由于条件分支的跳转目标很可能靠近其分支地址2100006位26位2.10.3MIPS寻址方式总结MIPS的寻址模式（p79.图2-18）立即数寻址：操作数是位于指令中的常数寄存器寻址：操作数在寄存器中基址或偏移寻址：操作数在内存中，其地址是指令中基址寄存器和常数的和PC相对寻址：地址是PC和