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计算机组成与设计读书笔记——第二章

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C C++ 设计

第二章：指令：计算机的语言

MIPS操作数

寄存器
- $s0-$s7 $t0-$t9 $a0-$a3 $v0-v1 $zero(恒为零) $gp $fp $sp $ra $at(为构造32位立即数保留)
- 只有存在寄存器的数据能进行算术计算操作
2^30个存储字
- Memory[0] Memory[4] Memory[8] ... Memory[4294967292]
- 只能通过数据传输指令访问
- MIPS使用字节编址
- 用于保存数据结构数组和溢出的寄存器

MIPS指令表

在MIPS架构中，指令被分为三种类型：R型、I型和J型。三种类型的指令的最高6位均为6位的操作码。从25位往下，

R型指令用连续三个5位二进制码来表示三个寄存器的地址，然后用一个5位二进制码来表示移位的位数（如果未使用移位操作，则全为0），最后为6位的function码（它与opcode码共同决定R型指令的具体操作方式）；
I型指令则用连续两个5位二进制码来表示两个寄存器的地址，然后是一个16位二进制码来表示的一个立即数二进制码；
J型指令用26位二进制码来表示跳转目标的指令地址（实际的指令地址应为32位，其中最低两位为00，高四位由PC当前地址决定）。

三种类型的指令图示如下：

其中 rs是操作数1的寄存器 rt是操作数2的寄存器 rd是存放结果的寄存器 shamt是位移量 funct是功能码 immediate是立即数 address是地址

以下是指令表

MIPS程序举例

条件分支


bne  $S3,$S4,Else
add  $S0,$S1,$S2
j    Exit
Else : sub $S0,$S1,$S2
Exit

循环

while (A[i] == B) {
    i++;
}


Loop: sll $t1,$s3,2       # 临时变量 $t1 = i*4 这是为了计算A[i]的地址
add $t1，$t1,$s6          # s6是&A[0] t1是&A[i]
lw $t0,0($t1)             # $t0 = A[i]
bne $t0,$s5,Exit          # 不相等时跳出
addi $s3,$s3,1            # i++
j Loop
Exit

MIPS里的函数调用（过程）

寄存器和指令约定

$a0 ~ $a3 用于存放四个参数
$v0 ~ $v1 用于存放两个返回值
$ra 用于存放返回地址即调用地址的PC+4
jal 后面跟地址表示调用该地址的函数用 jr $ra返回
被调用者想要用一些寄存器必须用栈结构——把寄存器的旧值压栈，以便腾出寄存器用，最后出栈恢复。
$sp是栈指针。压栈$sp -= 4 * n 出栈$sp += 4 * n
$t0 ~ $t9 是存放临时值的不需要被调用者保存
$s0 ~ $s7 被调用者要负责保存和恢复现场的寄存器
嵌套调用的话 $ra 和参数寄存器之类可能互相覆盖，因此所有可能被覆盖的寄存器压栈，有必要的话，调用者会保存的会包括调用后还需要的$a0 ~ $a3和$t0 ~ $t9，被调用者会保存的包括$ra和被调用者使用的$s0 ~ $s7 (因此迭代比递归性能高很多)
多于4个参数的情况，可以将额外参数放在栈指针上方。