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CH2-指令-计算机的语言上-汇编指令

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MIPS 操作数

名字 示例 注释
32个寄存器 $s0-$s7, $t0-$t9, $zero,
$a0-$a3, $v0-$v1, $gp, $fp,
$sp, $ra, $at		 寄存器用于数据的快速存取。在MIPS中，只能对存放在寄存器中的数据执行算数操作，寄存器$zero的值恒为0，寄存器$at被汇编器保留，用于处理大的常数
20^30个存储器字 Memory[0], Memory[4], …,
Memory[4294967292]		 存储器只能通过数据传输指令访问。MIPS使用字节编址，所以连续的字地址相差4。存储器用于保存数据结构、数组和溢出的寄存器。

MIPS汇编语言

MIPS汇编语言

第一部分 MIPS-32概述

指令的组成 MIPS的设计思想

计算机执行任何程序，本质上都是在执行机器语言指令（instruction），每条指令都是一条0-1串

指令首先要指明执行什么操作，通常用0-1串中的前几位来表示，称为操作码 指令还要指出需要操作的数据来自哪里、操作后的结果数据放回哪里 通常用0-1串中的剩余位来表示，称为操作数或地址码大部分操作数都是一个地址编号，告诉CPU从哪里取得数据、向哪里放回数据 所以操作数通常也叫做地址码

操作码 地址码 地址码

MIPS作为RISC指令集，设计力求保证硬件设备的简单性，在我们讲解的32为MIPS汇编语言（MIPS-32）中，所有指令都是32位长


MIPS-32中的通用寄存器

MIPS中运算操作的操作数必须来自寄存器（register）或者指令本身一种位于CPU、比cache更小更快的存储器，用来暂时存放运算的源数据和结果

一些寄存器是专用的，如存放执行中指令的地址的程序计数器（PC）于此相对应，用于暂时存放运算数据的寄存器称为通用寄存器

MIPS中一共有32个32位寄存器，共128B（大部分架构都采用16或32个寄存器）

我们约定：

  • 程序中的变量存放在保存寄存器（store reg）中：$s0 ~ $s7 共8个
  • 运算的临时变量、中间变量存放在临时寄存器（temp reg）中：$t0 ~ $t7 共8个
  • 还有一个零寄存器，永远存放32位的0，写作$zero

第二部分 三类汇编指令

三类汇编指令

算数运算：加add、减sub

C赋值语句：c = a + b;

加法指令 add c, a, b: 将a和b中的数据相加，并将结果存放在c中

再次强调：MIPS中运算的操作数必须来自寄存器或者指令本身！

假设变量a，b，c分别存放在寄存器$s0，$s1，$s2中，这条指令就应当写为

add $s2, $s0, $s1

加法中两个数可以对换，但减法不行，故c = a - b；必须写作

sub $s2, $s0, $s1

运算的 “原材料” a和b对应的寄存器$s0, $s1

分别称为源操作数1*（src1）和源操作数2（src2）

运算的结果c对应的寄存器$s2称为目的操作数（des）

加减指令的通式：add/sub des, src1, src2

算术运算：加立即数addi

在 i++ 即 i = i + 1；这条赋值语句中，有个确定的常数1

与其采取额外的步骤将1装入某个寄存器，不如让指令本身包含这个1

假设变量i位于寄存器$s0，我们把加法指令的第二个源操作数改为常数1

addi $s0, $s0, 1

就成了加立即数(add immediate)指令

因为addi指令中的立即数可以取负数（对立即数取负后相加）

因此，MIPS中没有subi指令

逻辑按位运算:and、or、nor指令

当两个源寄存器中，对应的位上同时为1时，与and操作结果为1 当两个源寄存器中，对应的位上至少有一个为1时，或or操作结果为1 因此，假设

$t0 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

$t1 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100

执行下列两条指令后，$t2中的数据分别变为多少?

and $t2, $t0, $t1

or $t2, $t0, $t1

任何数据与0进行或非nor操作，都会0/1反转 执行下列指令后，$t2中的数据会变为多少?

nor $t2, $t0, $zero

$t2 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110

逻辑位移运算：sll 和 srl 指令

比较12和120两个十进制数，通过在对低位的右边添加一个0，变成了10倍

比较11和110两个二进制数，通过在最低位的右边添加一个0，变成了多少倍？1100呢？


逻辑左移（shift left logic）指令让寄存器中的数据整体往左移动指定的位数，并在右边空出来的位上补0。

假设$s2 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101

逻辑左移两位后，放到寄存器$s0中：

sll $s0, $s2, 2

这里的2不是addi指令中的立即数，而是告诉计算机移动几位的位移量（shift amount）


通过这样一条指令，我们实际上完成了x4的运算！

x2、x8、x128时，移位量分别是多少？

x2移位量为1，x8移位量为3，x128移位量为7

srl 指令可以实现/2运算，使用场景不多，不额外讨论

综合练习1：变量运算与赋值

翻译以下C语句：

result = a - 10 + (b + c * 5)；其中 result 为 $s3，a 为 $s0，b 为 $s1，c 为 $s2

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c * 5 -> sll $t0, $s2, 2
				 add $t0, $t0, $s2
				 
b + c * 5 -> add $t1, $t0, $s1

a - 10 -> addi $t2, $s0, -10

result = add $s3, $t2, $t1

寄存器—存储器数据传送：lw指令

运算指令的操作数必须来自于寄存器/指令本身，但是，通用寄存器一共只有128B

数组元素却可以占据成千上万个字节，只能存放在内存中


这时，我们把数组第一个元素（a[0]）的32位地址，称为数组的基址，放在寄存器中

基址加上要找的元素的下标，就组成了这个元素的地址


如果源操作数在内存中，是数组a的5号元素（第六个元素），数组a的基址存放在$s1中。那么，a[5]的地址就表示为5($s1)

计算机会自动计算$s1中的基址和偏移量5的和，找到a[5]的地址


将a[5]从内存传送到寄存器$s0，使用取字指令（load word）

lw $s0, 5($s1)

寄存器—存储器数据传送：字与sw指令

MIPS的通用寄存器都是32位长，这个长度就是MIPS体系结构的字长，通常代表了参与运算的数据的长度，因此我们约定：整门课程中，1字=32b=4B(字节)


a[5]相对于a[0]，在内存中的距离是5个字，而不是5个字节。又因为内存按字节编址，即：内存每个字节都有一个特定的编号。

所以偏移量应该是 5x4=20个字节，a[5]的地址应该表示成20($s1)，于是取数指令变为lw $s0, 20($s1)


如果我们要把$t0中运算结果送回内存中的a[2]，需要用到存字指令（store word）: sw $t0, 8($s1)

寄存器间数据传送 装载立即数到寄存器

如果我们需要把数从$t0保存到存放某变量的$s1中，怎么实现?

MIPS没有专门的寄存器间移动数据的指令。但是，通过把源寄存器中的数据加上0再保存到目标寄存器中，可以实现相同的功能

addi $s1, $t0, 0 或 add $s1, $t0, $zero

这个功能可以用move伪指令来代替 move $s1, $t0


假如我们要把一个常数10装入寄存器$s2，同样可以采用addi指令

addi $s2, $zero, 10 或使用取立即数（load immediate）伪指令 li $s2, 10

程序设计题中能否使用伪指令，请咨询老师！

装载32位立即数到寄存器

我们说可以用addi指令向寄存器装载立即数：addi $s2, $zero, 10

但是，addi指令中的立即数10只能占用32位指令中的一部分（16位，稍后介绍指令格式）

16位只能表示2E16，即六万多个数，寄存器却能容纳2E32即40多亿个数

addi 指令只能作用于 -2^15 ~ 2^15-1 个立即数中（即-32768 ~ 32767）


二进制与十六进制的转化在此不作介绍

假设我们要向寄存器$s2装载一个32位的立即数：10A2 7FFF(16)


我们必须先用取高位立即数（load upper immediate）指令，把10A2放入$s2的高16位

lui $s2,4258 #十六进制的10A2等于十进制的4258

再让$s2与低16位的立即数7FFF进行或运算

ori $s2, $s2, 32767 #7FFF(16)=32767(10)

这样，就分两步把32位立即数装载到了32的寄存器中

不能使用addi代替ori指令，如果低16位的最高位是1，addi会把它理解为负数

综合练习2：数组元素运算与赋值

a[i] = a[0] + 100000;

假设数组 a 的基址位于 $s0，变量 i 位于 $s1

100000(10) = 186A0(16)，1(16) = 1(10)，86A0(16) = 34464

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1.将a[0]传到临时寄存器中
lw $t0,0($s0)

2.将100000装载32位寄存器中
lui $t1,1
ori $t1,$t1,34464

3.将a[0] 与 100000 相加
add $t2,$t0,$t1

4.获取a[i]的元素               # a[0] 的地址存放在 $s0 中                
sll $t3,$s1,2                # a[1] 的地址存放在 $s0 + 4 中（1个字是4字节）
add $t4,$t0,$t3              # 所以 a[i] 就是基地址 $s0 + 4i

5.将t2的值传给t4所指向的a[i]地址
sw $t2,0($t4)

决策：条件分支beq和bne

计算机和一般计算器的区别在于何处？

在于决策能力

即，根据一定的条件选择执行何种运算的能力


最基础的判断条件是相等关系

假设 $s0 = 0，$s1 = 0，$s2 = 1

相等则分支（branch if equal）指令在两个源操作数寄存器中的值相同时分支，分支以分支标签表示

beq $s0,$s1,Label

与此相对应，不等则分支（branch if not equal）指令在值不同时分支到标签

bne $s0,s2,Label

如果 不发生分支，则继续执行内存中相邻的下一条指令


综合练习3：if-else语句（无条件跳转 j 和条件分支）

If (i == j) f = g + h;

else f = g - h;

假设f、g、h、i、j 分别存放在$s0 - $s4中

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

结论：判定相等 == 使用bne，判断不等 != 使用beq

决策：小于则置位slt

除了相等、不等关系，我们还经常比较两个数的大小

MIPS有一条小于则置位（set on less than）指令slt

置位：将一位设置为1；复位：将一位设置为0


还是假设$s0 = 0，$s1 = 0，$s2 = 1

slt $t0,$s0,$s2

源操作数1 < 源操作数2 吗？ Yes

此时把目的炒作输寄存器$t0置位为1


slt $t0,$s0,$s1

源操作数1 < 源操作数2 吗？No！

此时把目的操作数寄存器$t0复位为0


在比较中经常使用常数操作数，所以有立即数版本的小于则置位指令。

slti $t0, $s2, 10 # $t0 = 1 if $s2 < 10


6种条件判断及其伪指令

通过slt、beq、bne（严格来说还有小于立即数则置位slti指令，不作讨论）指令的各种组合，我们就能够实现全部六种比较指令，即六种值为真或假的布尔表达式

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if (i < j) f = g + h;
else f = g - h;
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slt $t0, i, j         # 当 i<j 时，把$t0置为1，否则为0
beq $t0, $zero, Else  # 当 $t0为0时，执行else后的语句
add f, g, h           # 否则顺着执行if后的语句
j Exit                # 加法完成后退出if-else语句
Else: sub f, g, h     # else
Exit:

结论：判断大于 > 或小于 < 使用 slt 和 beq，判定大于等于 >= 或小于等于 <= 使用 slt 和 bne 

对于比大小的四种比较条件，可以使用伪指令：

  • 小于则分支 blt
  • 大于则分支 bgt
  • 小于等于则分支 ble
  • 大于等于则分支 bge

综合练习4：while循环

while(a[i] == k) i++;
假设i,k分别存放在$s3和$s5中，a的基址放在$s6中

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Loop: sll $t0, $s3, 2     # 4i
      add $t1, $s6, $t0   # a[0] + 4i
      lw $t2, 0($t1)      # 将a[i]的内存地址取出，放入临时寄存器
      bne $t2, $s5 Exit:
      addi $s3, $s3, 1
      j Loop              # 跳转回判断 a[i] == k

MIPS汇编指令小结

指令格式：R型

指令中含三个寄存器的运算指令都属于R型（register type）指令

add/subdes,src1,src2

and/or/nordes,src1,src2

sltdes,src1,src2

32位的MIPS指令一共分为6个字段：

op rs rt rd shamt funct
6位 5位 5位 5位 5位 6位
  • op：operation code，源操作码
  • rs：register source，源操作数寄存器 -> rt：s后面是t，表示第二个源操作数寄存器
  • rd：register destination，目的寄存器
  • shamt：shift amount，位移量
  • funct：function code，功能码

指令格式：R型

R型指令的操作码op都是6个0，由6位功能码funct进一步指定执行什么操作

以add指令为例

  • $t0 ~ $t7分别为8~15号寄存器

  • $s0 ~ $s7分别为16~23号寄存器

将下列机器码，翻译成MIPS-32指令

000000 10001 10010 01000 00000 100000
6位 5位 5位 5位 5位 6位 
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6
7
操作码 op 为0，功能码为32，即为add指令
目的寄存器为 01000，十进制为8，即$t0
第一个源操作数寄存器为 10001，十进制为17，即s1
第二个源操作数寄存器为 10010, 十进制为18，即s2
偏移量为0

综上所述，该机器码的MIPS-32指令为 add $t0, $s1, $s2

sub指令仅仅是功能码funct字段从32变为了34，sub $s1, $s1, $s0的32位机器码是多少?

需要记忆add、sub指令的操作码(都是0)和功能码(分别为32、34)

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sub 的操作码 op 为 000000
功能码 funct 为 34，即010010
偏移量为0，即 00000
第一个 $s1 为目的寄存器，且 $s1 为17号寄存器，即10001
第二个 $s1 为第一个源操作寄存器，且 $s1 为17号寄存器，即10001
$s0 为第二个源操作寄存器，且 $s0 为16号寄存器，即10000

综上所述，sub $s1, $s1, $s0 的机器码为
op rs rt rd shamt funct
000000 10001 10001 10000 00000 100100

此外，使用移位量的两条逻辑移位指令

sll/srldes, src1, shamt

也属于R型指令，因为没有第二个源操作数寄存器，rt被置为0


指令格式：I型（立即数）

有两条“目的reg + 源reg + 立即数” 格式的指令

addides,src1,i

ori des,src1,i

通过把R型指令中的后桑格字段拼接成一个16为的里结束字段，让指令本身包含常数。这样的指令属于I型（immediate type）指令

op rs rt rd shamt funct
6位 5位 5位 5位 5位 6位
R 型指令格式
op rs rt constant or address
6位 5位 5位 16位
I 型指令格式

以 addi 指令为例

其操作码为8，由于 rd 字段被合并了，现在 rt 就成了目的寄存器

通过 I 型指令格式也可以看出，立即数最大只有 16位，再加上一位的正负号，只有15位可用（即-2^15 ~ 2^15-1    ->    -32768 ~ 32767）

练习1

将此指令翻译成机器指令：addi $t1, $t0, 15

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addi 指令的操作码 op 为8，即001000
$t1 为目的寄存器，$t1为9号寄存器，即01001
$t0 为源操作数寄存器，$t0为8号寄存器，即01000
立即数为15，即 constant or address 为0000000000001111

综上所述，addi $t1, $t0, 15 的机器码为
op rs rt constant or address
001000 01000 01001 0000000000001111

指令格式：I型（偏移量）

lw/sw reg, num(reg)

两条数据传送指令也包含两个寄存器和一个常数

同样属于I型指令

此时，16位立即数字段的含义发生了改变，表示数组元素相对于数组基址的地址偏移量

op rs rt constant or address
6位 5位 5位 16位

无论是lw还是sw指令

都是由 rs 字段表示的寄存器值与 address 字段相加，得到存储器单元地址

rt 字段表示与存储器单元交换数据的寄存器

lw、sw 指令操作码分别为 35 和 43


练习1

将此指令翻译成机器指令：lw $t0, 8($s1)

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lw 指令的操作码 op 为35，所以换成二进制为10011
$t0 是第二个源操作数寄存器（第一个用于存放address），$t0为8号寄存器，且rt为5位，即01000
8($s1) 是第一个源操作数寄存器即rs，$s1为17号寄存器，且rs为5位，即10001
又因为偏移量是8，即1000，constan or address 为16位，所以为0000000000001000

综上所述，lw $t0, 8($s1) 的机器码为
op rs rt constant or address
10011 10001 01000 0000000000001000

练习2

将此指令翻译成机器指令：sw $t2, 0($s4)

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sw 指令的操作码 op 为43，所以换成二进制为11101
$t2 是第二个源操作数寄存器即rt（第一个用于存放address），$t2为10号寄存器，且rt为5位，即10010
0($s4) 是第一个源操作数寄存器即rs，$s4为20号寄存器，且rs为5位，即10100
又因为偏移量是0，constant or address 为16位，所以为0000000000000000

综上所述，sw $t2, 0($s4) 的机器码为
op rs rt constant or address
11101 10010 10100 0000000000000000

指令格式：I 型（标签）

beq/bne src1, src2, Label

在这两条条件分支指令中，同样是使用了两个寄存器

还有一个分支标签的地址，用16位立即数字段表示（也就变成了 Address 字段）

也属于 I 型指令


例如，当 i($s0) 和 j($s1) 相等时分支到地址为 10000 的标签 Else

beq $s0, $s1, Else

翻译为机器语言为

op rs rt constant or address
6位 5位 5位 16位

这里的 10000 实际上并不是 Else 标签指向指令的地址，讲寻址方式时再具体说明

机器语言指令格式小结

名字 格式 举例 注释
add R 0 18 19 17 0 32 add $s1, $s2, $s3
sub R 0 18 19 17 0 34 sub $s1, $s2, $s3
addi I 8 18 17 100 addi $s1, $s2, 100
lw I 35 18 17 100 lw $s1, 100($s2)
sw I 43 18 17 100 sw $s1, 100($s2)
字段宽度 6位 5位 5位 5位 5位 6位 所有 MIPS 指令均为32位
R型 R op rs rt rd shamt funct 算数指令格式
I型 I op rs rt address 数据传送指令格式

lui 指令的指令格式不作讨论

五条伪指令本身不是真正的指令，程序运行时会被替换成为真正的指令，不讨论指令格式

j 指令的指令格式稍后讲解

复习题

1、指令通常由那两个部分组成？MIPS-32 指令长度均为多少？

  • 操作码和操作数（地址码）
  • MIPS-32 指令长度为32位

2、8个临时寄存器、8个保存寄存器分别是什么编号？零寄存器存储什么？

  • 8个临时寄存器（$t0 ~ $t7）的编号为 8-15
  • 8个保存寄存器（$s0 ~ $s7）的编号为 16-23

3、回顾综合联系1 ~ 4，掌握运算、数据传输、决策三类汇编指令。（注意字和字节的区别）

4、练习上面的五条指令（add、sub、addi、lw、sw）汇编语言和机器语言的转化


转自：B站翼云