MIPS指令集（一）根本操纵

目次

盘算机硬件的操纵数
存储器操纵数
常数或立即数操纵数
有符号数和无符号数
指令的格式
   逻辑操纵
决议指令
循环

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盘算机硬件的操纵数

先从一条C语句入手

1. a = b + c;

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将其翻译为MIPS

1. add a, b, c

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此中a，b，c就是这条指令的操纵数。体现将b与c的和放入a中。
加法指令只有三个操纵数，也就是说只能一次完成两个数相加，下面的指令序列会完成四个数相加

1. add a, b, c
2. add a, a, d
3. add a, a, e

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只能一次完成两个数相加体现了硬件简单性的计划原则。下面会知道，利用指令实际上不会写诸如a,b,c之类的字符，而是利用寄存器。
与高级语言差异，MIPS的算术运算被要求操纵数只能来自寄存器。寄存器是构成盘算机的根本单元。在MIPS体系布局中寄存器巨细为32位，同时拥有32个寄存器。在MIPS体系布局中也常把32位称作一个字（word）。
MIPS在利用寄存器时，用'$'后跟两个字符体现寄存器。用$s0,$s1...体现雷同C语言中的变量所对应的寄存器，用$t0,$t1...体现暂时变量对应的寄存器。

1. a = (b + c) - (d + e)

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以该C赋值语句为例，将其翻译为MIPS指令，假设s0,...s4分别对应存储了a,..e

1. add $t0, $s1, $s2 #b+c的结果存在临时变量寄存器t0中
2. add $t1, $s3, $s4 #同上
3. add $s0, $t0, $t1

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MIPS中#后是表明，注意这种语言一行只有一条指令，且表明是在一行的末端竣事
存储器操纵数

高级语言中常有数组和布局体，而且通常巨细不止一个字，这种数据布局就会存储在内存中，而内存就是存储器，磁盘更风俗叫做io装备。
由于MIPS算术指令只能操纵寄存器，因此必须有一种本领，能将内存中的数据加载到寄存器中。
这些指令叫做数据传输指令。
为了访问内存中的字，必须给出所在。内存中的所在是按字节编排的，也就是说每个相邻的所在相差1

图中每一块巨细一个字节。
将数据从内存加载到寄存器通常称为取数（load）指令，实际MIPS取数指令助记符是lw，操纵数有三个，第一个体现要把数据存到哪个寄存器，第二个是所在偏移量（单元为字节，要求是常数），第三个是基址寄存器。

1. a = b + A[8];

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假设a存在s0，b存在s1，A所在存在s2。

1. lw $t0, 32($s2) #一个字大小为32位，也就是4字节，8个字就得偏移32字节
2. add $s0, $s1, $t0

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MIPS字的起始所在是4的倍数，这叫做对齐限定。字在内存中如图存储。

      
MIPS另有一类指令是将寄存器中的数据复制到存储器中，叫做存数（store）指令。MIPS记作sw，用法与lw雷同，只是第一个操纵数代表要从哪个寄存器中得到数据。
常数或立即数操纵数

仅仅从已经先容的指令来看，要利用常数，只能从存储器取出（lw），如要将a+4

1. lw $t0, AddrConstant($s1)#AddrConstant为某一常数偏移量,将4加载到t0
2. add $s0, $s0, $t0

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假如要制止利用取数指令，可利用addi指令

1. addi $s0, $s0, 4

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像这种加法叫加立即数（add immediate），常数操纵数出现频率高，像这种带立即数的指令，比从存储器种取值快许多，能耗也较低。
常数0可简化指令集。比方，数据传输指令可视为操纵数为0的加法。MIPS将$zero恒置为0，编号也为0
有符号数和无符号数

有符号数在MIPS中用补码体现。须要注意的是，当不满32位的数被存储时，高位会补上符号位。
像0100，存在寄存器中

1. 00000000 00000000 00000000 00000100

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1100，存在寄存器中

1. 11111111 11111111 11111111 11111100

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MIPS有一些末端为u的指令操纵无符号数，具体反面可以见到。
指令的格式

指令以二进制的情势存储，现在我们可以把指令翻译成二进制。
全部的寄存器会被映射为数字，$s0~$s7映射到16~23， $t0~$t7映射到8~15。

1. add $t0, $s1, $s2

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以该指令为例，先将其翻译为十进制，再转为二进制。

 

呆板指令分为多个字段，本例第一个和末了一个告诉MIPS盘算秘密实行加法操纵，第二个和第三个体现源操纵数寄存器，第四个字段体现存放结果的寄存器，第五个字段没有用到，故置为0。
截取《盘算机构成与计划 硬件/软件接口》中干系阐明

这种指令格式在某些场景大概不实用，如lw指令须要传入偏移量，5位是不敷用的，这时，想要增长位数，但是MIPS的计划是，全部指令的长度都雷同，如许，就会接纳折中方案：全部指令长度雷同，但差异范例指令接纳差异指令格式。如上述指令就是R型。另一种是I型，用于传输立即数。

在这种I型格式中，立即数巨细仍然有限定。可以看到这种格式下，很难增长寄存器的数量，由于寄存器序号会使得rs,rt字段增长位。

   逻辑操纵

一张图即可办理，用法也与其他指令雷同。
决议指令

盘算机的运算本领强盛，但盘算机与盘算器的差异在于盘算性能实行决议指令，也就是条件分支指令。MIPS有两条雷同C语言 if和 go to的指令

1. beq regsiter1, register2, L1

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体现若寄存器register1 和register2的值相称，跳转到L1标签。beq（branch if equal），相称则分支。

1. bne regsiter1, register2, L1

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体现若寄存器register1 和register2的值不等，跳转到L1标签。bne（branch if not equal），不等则分支。
还需先容另一种分支指令——无条件分支

1. j L1

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j为jump的缩写

1. if (i == j)
2.     f = g + h;
3. else
4.     f = g - h;

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现在将该C语句编译为MIPS指令。
假设i存在s0，j存在s1，f，g，h分别存在s2，s3，s4

1. bne $s0, $s1, Else
2. add $s2, $s3, $s4
3. j Exit
4. Else: sub $s2, $s3, $s4
5. Exit:

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循环

条件分支指令可以实现循环

1. while (save[i] == k)
2.     i += 1;

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假设i和k存在s3和s5中，save的基址存在s6中。

1. Loop: sll $t1, $s3, 2 #需要将i×4
2. add $t1, $s6, $t1
3. lw $t0, 0($t1)        #要求偏移量为常数
4. bne $t0, $s5, Exit
5. addi $s3, $s3, 1
6. j Loop
7. Exit:

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