机器指令概述
机器指令是计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码
要素
操作码＋操作数（操作数地址）
- 操作码：指明操作类型
- 操作数 (地址)：指明操作数的位置或操作数本身
- 源操作数地址：参加操作的操作数的地址，可能有多个
- 目的操作数地址：保存操作结果的地址
- 下条指令的地址：少数非顺序执行的指令需要指明
类型
- 数据传输指令：寄存器与存储器之间，寄存器之间传递数据
- 算术/逻辑运算指令：寄存器（或存储器）中整型数或逻辑型数据的运算操作，以及处理浮点数运算的浮点运算指令
- 程序控制指令：控制程序执行顺序，条件转移或跳转，循环控制指令，子程序调用和返回等
- 其它指令：多用户多任务系统中的特权指令；复位/暂停/空操作等指令
操作码
- 固定长度操作码 (如 MIPS)
- 硬件设计简单
- 指令译码时间开销较小
- 指令空间效率较低
- 可变长度操作码（如 80x86）
- 硬件设计相对复杂
- 指令译码时间开销较大
- 指令空间利用率较高
操作数
类型
- 数值（无符号、定点、浮点）
- 逻辑型数、字符
- 地址（操作数地址、指令地址）
位置
- 存储器（存储器地址）
- 寄存器（寄存器地址）
- 输入输出端口（输入输出端口地址）
存储方式
- 大端次序：最高有效字节存储在地址最小位置
- 小端次序：最高有效字节存储在地址最大位置
寻址方式
基本概念
- 形式地址（Add）：指令中直接给出的操作数的地址编码
- 有效地址（EA）：操作数在内存中的地址，可由形式地址和寻址方式计算得到
- 寻址方式（Mod）：根据形式地址，计算出操作数有效地址的方法（算法）
常用寻址方式
类别
- 立即寻址：
- 操作数直接在指令代码中给出，如
addi $s1, $s2, 100 - 操作数是指令内嵌常数，不作为独立的数据存储在存储器中，没有地址。
- 操作数直接在指令代码中给出，如
- 寄存器直接寻址：
- 操作数在寄存器中，指令地址字段给出寄存器的地址，如
add $s1, $s2, $s3 - 伪直接寻址：MIPS 的 J 类型指令，需要对立即数进行一些拼接得到最终地址，地址给出下一条指令位置。
- 操作数在寄存器中，指令地址字段给出寄存器的地址，如
- 寄存器间接寻址：
- 操作数在存储器中，指令地址字段中给出的寄存器的内容，是操作数在存储器中的地址（MIPS 中不存在对应的专门指令，用基址寻址覆盖了这个方式）
- 基址寻址：
- 操作数在存储器中，指令地址字段给出一基址寄存器和一形式地址，基址寄存器的内容与形式地址之和是操作数的内存地址，即 。如
lw $s1, 4($zero) - MIPS 中，如果 offset 为 0，可以起到和寄存器间接寻址一样的效果，如
lw $s1, 0($s2) - 优点：较短的形式地址长度，可以实现较大的存储空间的寻址
- 操作数在存储器中，指令地址字段给出一基址寄存器和一形式地址，基址寄存器的内容与形式地址之和是操作数的内存地址，即 。如
- 变址寻址：
- 操作数在存储器中，指令地址字段给出一基址寄存器和一变址寄存器、还可能有一偏移量，之和是操作数的内存地址。有的系统中，变址寻址完成后，变址寄存器的内容将自动进行调整。 常用于数组操作。
- MIPS 中不存在，依靠分步算数和基址寻址完成，如
sll $t1, $i, 2; add $t1, $t1, $a; lw $t0, 0($t1)。
- 相对寻址：
- 基址寻址的特例，程序计数器 PC 作为基址寄存器。 指令中给出的形式地址作为位移量，二者之和是操作数的内存地址。
- 堆栈寻址：
- 堆栈指针（SP）是一个特殊寄存器部件, 指向栈顶
- 例如 X86 由
PUSH和POP进行，指令内不用指明 SP。 - MIPS 不存在专门指令实现，是通过操作
$sp加基址寻址，实现栈访问。
确定
- 在操作码中给定寻址方式（如 MIPS）
- 指令中专门的寻址方式位（如 x86）
指令集系统架构（ISA）种类
有堆栈型、累加器型、通用寄存器型，大部分ISA都可归类为通用寄存器型，分为：
- Register-Memory式ISA（如X86）：多种指令可以访问内存；存在寄存器操作数和内存操作数直接运行的指令
- Register-Register (Load-Store) 式ISA（如 MIPS）：只有取数（LOAD）和存数（STORE）指令可以访问内存；运算指令操作数全部为寄存器操作数
Load-Store 是 ISA 的趋势。
MIPS 指令系统
特点
- MIPS只有3种指令格式（R，I，J），32位固定长度指令格式
- 最多3地址指令
- 对于Load/Store指令，用基址寻址，没有间接寻址
- 简单转移条件（与0比较，或者比较两个寄存器是否相等）
寄存器约定
存储器
- 字节寻址
- 小端存储
指令格式
R类型
R for register，寄存器类型。
但是注意机器代码格式：（尤其是三个寄存器的顺序，和一般的写法顺序不同）
op为0，由funct决定操作；
rs、rt为源，rd为目的。
I类型
I for immediate，立即数类型。
机器代码：
rs、imm为源，rt为目的/源；
imm以补码表示。
J类型
J for jump，跳转指令。
机器代码：
addr为26位，但是由于指令字对齐，末了两位为0（4的倍数），而前面4位由PC + 4最高4位决定。
指令类型
运算
逻辑
- R 类型
and,or,xor,nornot:nor $s1 $s1 $0
- I 类型（0 扩展）
andi,ori,xorinori:ori $s1 $s1 imm; nor $s1 $s1 $0
生成常数
- 16 位常数赋值：
addiaddi $s0 $0 0x4f3c- 32 位常数赋值：
luithenorilui $s0, 0x6d5e # $s0 = 0x6d5e0000 ori $s0, $0, 0x4f3c # $s0 = 0x6d5e4f3c（
lui：加载立即数到高位）
移位
sll,srl,sra(虽然有数字，但是是R类型，数字对应shamt位)sllv,srlv,srav（可变移位指令）（sllv rd rt rs， 顺序和大多R指令不同）
乘除法
mult,divmultu,divu乘法中，hi装高位，lo装低位；
除法中，hi装余数，lo装商。
量值比较
slt,sltu,slti,sltiu：小于置 1
跳转与分支
条件分支
beq：相等跳转bne：不相等跳转bgez：大于等于0时跳转bgtz：大于0时跳转blez：小于等于0时跳转bltz：小于0时跳转
这里的跳转是根据offset，PC = (PC + 4) + signed_extend(offset << 2)。因此跳转范围为 256 KB。即： KB
跳转指令
j：跳转jal：跳转并链接（将返回地址保存到$ra中）jr：跳转寄存器
跳转范围：
- J 类型的指令如
j，jal跳转范围有限，为 256 MB。Addr = addr << 2共 26 + 2 = 28 位， MB
jr，jalr为 R 类型，跳转到寄存器存储的地址，32 位，可跳 4 GB。
访存
字
lwsw
字节/半字
lb,lbu（lh，lhu）：将字节（半字）装入寄存器，进行有/无符号扩展sb（sh）：将寄存器最低字节（半字）装入存储器指定地址
特殊指令
- 系统调用
syscall - 断点
break
函数调用
调用与返回
- 调用：
jal - 返回：
jr
传入参数与返回值
- 参数：
- a3
- 不足时，开辟栈空间存储，caller负责
- 返回值：v1（低32位和高32位）
栈
函数分配栈空间存储局部变量，并在返回前回收栈空间。
结构：
$sp寄存器存储栈顶位置指针，指向栈顶。需要栈空间时缩小栈指针，使得栈向下增长。
应用：保存和恢复函数使用的寄存器。
分为受保护和不受保护寄存器，分别又对应callee-save和caller-save寄存器。
局部变量存在s寄存器，需要恢复保存；如果局部变量过多，也开辟栈空间存储，尤其是局部数组。
步骤：
- Makes space on the stack to store the values of one or more registers.
- Stores the values of the registers on the stack.
- Executes the function using the registers.
- Restores the original values of the registers from the stack.
- Deallocates space on the stack
递归函数调用
递归函数这样来看、写，分为三部分。
寻址方式
读写操作数
- 寄存器直接寻址：R类型
- 立即寻址：部分I类型，如
addi,lui - 基址寻址：存储器访问指令，如
lw,sw
写PC的方式
内存映射
其他概念
伪指令
在转换为机器代码的时候，伪指令将转化为一条或者多条MIPS指令。
异常
- 硬件引发：中断
- 软件引发：自陷