計算機系統6-> 計組與體系結構3 | MIPS指令集（中）| MIPS彙編指令與機器表示

climerecho發表於2022-04-18
計算機

上一篇計算機系統5-> 計組與體系結構2 | MIPS指令集（上）| 指令系統從頂層講解了一個指令集 / 指令系統應當具備哪些特徵和工作原理。這一篇就聚焦MIPS指令集（MIPS32），看看其彙編語句和機器語言是什麼樣子的。

參考資料：

  1. Computer Organization and Design the 5th Edition，即計算機組成與設計硬體軟體介面第五版
  2. 龍芯杯MIPS指令系統規範手冊
  3. 課件，由於是英文且只是老師的思路，所以是輔助參考
  4. 《計算機組成原理》譚志虎，HUST（此書強推）
  5. 《計算機組成原理》MOOC HUST

00 資料格式

本文約定MIPS32的資料格式定義如下：

  1. 位元（bit, b）
  2. 位元組（Byte, 8bits, B）
  3. 半字（Halfword, 16bits, H）
  4. 字（Word, 32bits, W）

這個不搞搞清楚，後續還會麻煩，不如放在最前面。

01 運算元

自上一篇對於指令系統的整體介紹可以知道，指令集的運算元是指令的操作物件，它有三個來源：立即數、暫存器和儲存器。這裡來看一下MIPS32指令系統支援的運算元空間。

01-1 立即數運算元

在上一篇的介紹中，立即數是由地址碼錶示的，所以MIPS的立即數的長度由指令格式決定，再具體一點是指令格式中的地址碼長度決定。

01-2 暫存器運算元

2022-04-16 整理此文期間，老師發了一個講解暫存器的連結

開啟之後，我覺得講得還不錯，對於各個暫存器的功能都有說明，就是排版不太好。

此文第32問之後，講解了為什麼是32個通用暫存器

MIPS-32指令集共有32個32位通用暫存器，按照編碼原理，機器指令中可以用5個bit來編碼32個暫存器；在彙編中可以用暫存器編號0~31表示，但更推薦用它們的名字（ $ +兩個字元），因為不同的暫存器的預設工作不同，如果有名稱來進行區分，對於彙編層次的程式設計者更友好一些。具體表示如：$sp , $t0等等。

為什麼會給暫存器取名，從下面這個表格就可見一斑。後續下一篇介紹高階語言程式段的彙編翻譯的時候，還會具體說明這些暫存器的功能分類。

為什麼使用32個通用暫存器？

答：

使用64個或更多暫存器不但需要更大的指令空間來對暫存器編碼，還會增加上下文切換的負擔。除了那些很大不能感非常複雜的函式，32個暫存器就已足夠儲存經常使用的資料。使用更多的暫存器並不必要，同時計算機設計有個原則叫“越小越快”，但是也不是說使用31個暫存器會比32個效能更好，32個通用暫存器是流行的做法。

編號 助記符 英文全稱 功能簡述
$0 $zero zero 恆零值，0號暫存器參與加法運算可實現MOV功能
$1 $at Assemble Temp 彙編器保留暫存器，可用於偽指令的中間變數
$2 ~ 3 $v0 ~ v1 value 儲存子程式的非浮點返回值
$4 ~ 7 $a0 ~ a3 Argument 用於儲存子程式呼叫前的4個非浮點引數
$8 ~ 15 $t0 ~ t8 Temporaries 臨時變數，呼叫者儲存暫存器，可在子程式中直接呼叫
$16 ~ 23 $s0 ~ s7 Saved Registers 通用暫存器，被呼叫者儲存暫存器，在子程式中使用時必須先壓棧儲存原值，使用後應出棧恢復原值
$24 ~ 25 $t8 ~ t9 Temporaries 臨時變數，同$8 ~ 15。
$26 ~ 27 $k0 ~ k1 Kernel Reserved 作業系統核心保留暫存器，用於中斷處理
$28 $gp Global Pointer 全域性指標
$29 $sp Stack Pointer 棧指標，指向棧頂
$30 $fp / $s8 Frame Pointer 幀指標，用於過程呼叫；也是$s8，可用作Saved Register
$31 $ra Return Address 儲存子程式返回地址

我們通常意義上說的32個暫存器，就是上述32個通用暫存器。事實上，MIPS還提供了32個32位的單精度浮點暫存器，用$f0 ~ f31表示，兩兩拼合還可以形成16個64位的雙精度暫存器。此外，MIPS還有其他特殊暫存器：

  • 整數乘除暫存器\(hi，\)lo

    • hi 暫存器存放乘法指令結果的高半部分或是除法指令結果的餘數。
    • 用指令mfhi("move from hi")來訪問hi。
    • lo 暫存器存放乘法指令結果的低半部分或是除法指令結果的商。
    • 用指令mflo("move from lo")訪問lo。

  • 程式控制器PC

    • 無法直接訪問。

  • ⭐協處理器CP0的暫存器

    • CP0是協處理器((Co-Processor)之一，其中有一組暫存器，一共32個；
    • CP0 必須實現，起到控制CPU的作用，主要用於中斷、例外控制。MMU、異常處理、乘除法等功能，都依賴於協處理器CP0來實現。它是MIPS的精髓之一，也是開啟MIPS特權級模式的大門。
    • 後續的特權指令中會有很多使用CP0暫存器的地方。
    • 協處理器的32個暫存器介紹
    • 協處理器如何控制CPU
    • 這裡提一個暫存器，EPC，這個暫存器存放異常發生時，系統正在執行的指令的地址。後面特權指令ERET會用到。

01-3 儲存器運算元

有230個儲存器字，根據00部分的資料格式，這裡一個儲存器字也就是32位bit，即4個byte，所以換算成我們更常見的形式有：

232bytes = 222KB = 212MB=4GB，可見MIPS32的記憶體是4GB。

02 定址方式

上一篇中我們介紹了指令系統的11 種訪存方式，MIPS只採用了其中的五種，即：（也簡單回憶一下）

  1. 立即數定址

    imm欄位 / D欄位就是立即數本身。

  2. 暫存器定址

    運算元放在某個暫存器中，形式地址D欄位 / imm欄位給出暫存器的編號，有的指令可能會使用多個暫存器，也就會用到多段暫存器編碼段。

  3. 基址定址

    暫存器存放基地址，形式地址D欄位存放變化量。

  4. 相對定址

    EA = PC + 4 + D。

  5. 偽直接定址

    這種比較新，實際操作是EA = { PC+4的高四位（31到28），imm（D欄位），00 }

    可見此處的EA達到了32位bit，也即30位儲存字。

對於具體的指令格式，R型指令的定址方式只有暫存器定址；I型指令的定址方式有暫存器定址、立即數定址、基址定址、相對定址；J型指令的只有偽直接定址。

03 指令格式

03-1 統一介紹

瞭解一個指令集最重要的是指令格式，指令格式統帥了所有其他的方面。MIPS32種所有的指令都是32位定長指令，格式很規整（很漂亮）；對於實在難以用統一格式表述的指令，MIPS採取了折中的辦法，即讓指令的一部分看上去是一樣的，其他的部分進行一些微調。

MIPS指令格式有三種：I型、R型、J型；具體格式如下：

213

下面是對上圖各個部分的一個解釋：

  • 圖中opcode欄位就是操作碼，一般簡稱為OP，不過R型指令有一點與眾不同，R型指令的OP段全為0），具體的指令功能由低6位的 function(funct) 欄位決定，這裡的funct欄位就是擴充套件操作碼。
  • 至於定址方式，MIPS的定址方式是沒有單獨的欄位的，而是放在操作碼欄位裡。
  • 上面看到的rs、rt、rd就是暫存器運算元欄位，各用五位表示（32個通用暫存器正好編碼5個二進位制位）；R型指令可以有三個暫存器運算元，而I型指令最多兩個暫存器運算元，而J型不需要暫存器運算元。
  • 上圖其他元素還有shamt欄位（五位的sa），用於移位指令，其他指令這一段為0；以及I型指令的imm欄位，可以表示16位的有符號立即數，立即數範圍為 [-32768, 32767]。J型指令的instr_index（Address欄位）有26位。

03-2 R型 / 暫存器型

R型指令的運算元只能來自暫存器，運算結果也只能來自暫存器，屬於上一篇中所提到RR型指令。下面先來說說MIPS的R型指令的機器語言格式：

因為具體指令打算放到指令功能裡再整理，這裡舉一個典例，MIPS的加法在彙編中表示為：

add $s1,$t0,$s4
# 當然也可寫成
add $17,$8,$20

意思是 把 t0（8號）和s4（20號） 暫存器的內容相加，把結果放到s1（17號）暫存器，機器格式為：

位數 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 06 05 ~ 00
格式 op rs rt rd shamt funct
舉例 000000 8 20 17 0 32

03-3 I型 / 立即數型

I型指令就是立即數型指令，至多可以使用兩個暫存器，按照執行的功能有以下情況：

  1. 如果是雙目運算，則將暫存器rs和立即數imm分別作為源運算元，將結果送入rt暫存器中；
  2. 如果是Load / Store指令，則將暫存器rs和立即數imm值相加得到有效地址EA，將EA送入rt暫存器中；
  3. 如果是條件分支指令，則對rs和rt暫存器中的資料進行規定的判別運算，並根據結果決定是否進行跳轉，如果發生跳轉，那麼跳轉後的地址EA由相對定址方式獲得（PC+4與立即數imm相加得到）

舉一個典例，MIPS中的beq指令，指令作用是相等則跳轉：

beq $s1,$s2,25

意為判斷\(s1和\)s2中運算元是否相等，如果相等去地址為PC+4+imm的地方繼續執行。

位數 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
格式 op rs rt imm
舉例 000100 17 18 25

注意這裡的意義是：

if($s1 == $32) go to
PC+4+100 #即 imm<<2

為什麼是100不是25呢？

答：如果發生轉移，要將imm左移2位，並符號擴充套件至32位，然後與PC+4相加，加法的結果就是轉移目的地址，從該地址取指令。

03-4 J型 / 跳轉型

J型指令主要是無條件轉移指令，其特點是僅有操作碼和地址碼兩個欄位，採用偽直接定址，有效地址EA 用PC+4的高4位與 26位的imm經左移2位後拼接得到：

J型指令常用的有兩個：j 和 jal

注意：jr和jalr雖然也實現無條件跳轉，但不是J型。

指令名 OP IMM 實現描述 備註
j 000010 26位 PC <- {PC+431:28，imm，00} 無條件分支
jal 000011 26位 R[31] <- PC+8（如無延遲槽為PC+4）；PC <- {PC+431:28，imm，00} 子程式呼叫指令

04 指令功能

本部分參考：龍芯杯MIPS指令系統規範手冊，開源，上傳至部落格檔案。

04-1 算術運算指令

234

一共十四條，包括加、減、乘、除、置1五個小類。

  1. ADD

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100000
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      • ADD rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與暫存器 rt 的值相加，結果寫入暫存器 rd 中。如果產生溢位，則觸發整型溢位例外（IntegerOverflow）。

    • 操作定義：

      sd

    • 例 外：

      • 如果有溢位，則觸發整型溢位例外。

  2. ADDI

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 26~21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 001000 rs rt imm
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      • ADDI rt, rs, imm

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與有符號擴充套件至 32 位的立即數 imm 相加，結果寫入 rt 暫存器中。如果產生溢位，則觸發整型溢位例外（IntegerOverflow）。

    • 操作定義：

      sd

    • 例外：

      • 如果有溢位，則觸發整型溢位例外。

  3. ADDU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100001
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      ADDU rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與暫存器 rt 的值相加，結果寫入 rd 暫存器中。

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← GPR[rs] + GPR[rt]

    • 例 外：

      • 無

  4. ADDIU

    • 機器格式：

    • 彙編格式：

      ADDIU rt, rs, imm

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與有符號數至 32 位的立即數 imm 相加，結果寫入 rt 暫存器中。（沒寫錯1!)

    • 操作定義：

      GPR[rt] ← GPR[rs] + sign_extend(imm)

    • 例 外：

      • 無

    • ADDI，ADDIU，ADD，ADDU的區別、有符號無符號的謬誤

  5. SUB

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100010
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SUB rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • ：將暫存器 rs 的值與暫存器 rt 的值相減，結果寫入 rd 暫存器中。如果產生溢位，則觸發整型溢位例外（IntegerOverflow）。

    • 操作定義：

      23

    • 例外：

      • 無

  6. SUBU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100011
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SUBU rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與暫存器 rt 的值相減，結果寫入 rd 暫存器中。

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← GPR[rs] – GPR[rt]

    • 例 外：

      • 無

  7. SLT

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 101010
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SLT rd, rt, rs

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與暫存器 rt 中的值進行有符號數比較，如果暫存器 rs 中的值小，則暫存器 rd 置 1；否則暫存器 rd 置 0。

    • 操作定義：

      if GPR[rs] < GPR[rt] then
	GPR[rd] ← 1
else
	GPR[rd] ← 0
endif

    • 例 外：

      • 無

  8. SLTI

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 26~21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 001010 rs rt imm
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      SLTI rt, rs, imm

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與有符號擴充套件至 32 位的立即數 imm 進行有符號數比較，如果暫存器 rs 中的值小，則暫存器 rt 置 1；否則暫存器 rt 置 0。

    • 操作定義：

      if GPR[rs] < Sign_extend(imm) then
	GPR[rt] ← 1
else
	GPR[rt] ← 0
endif

    • 例 外：

      • 無

  9. SLTU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 101011
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SLTU rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與暫存器 rt 中的值進行無符號數比較，如果暫存器 rs 中的值小，則暫存器 rd 置 1；否則暫存器 rd 置 0。

    • 操作定義：

      if (0||GPR[rs]31..0) < (0||GPR[rt]31..0) then
	GPR[rd] ← 1
else
	GPR[rd] ← 0
endif

    • 例 外：

      • 無

  10. SLTIU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 001011 rs rt imm
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      SLTIU rt, rs, imm

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值與有符號擴充套件 至 32 位的立即數 imm 進行無符號數比較，如果暫存器 rs 中的值小，則暫存器 rt 置 1；否則暫存器 rt 置 0。

    • 操作定義：

      if (0||GPR[rs]31..0) < Sign_extend(imm) then
	GPR[rt] ← 1
else
	GPR[rt] ← 0
endif

    • 例 外：

      • 無

  11. DIV

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011010
      位數 6 5 5 10 6

    • 彙編格式：

      DIV rs, rt

    • 功能描述：

      • 有符號除法，暫存器 rs 的值除以暫存器 rt 的值，商寫入 LO 暫存器中，餘數寫入 HI 暫存器中。

    • 操作定義：

      234

    • 例 外：

      • 無

  12. DIVU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011011
      位數 6 5 5 10 6

    • 彙編格式：

      DIVU rs, rt

    • 功能描述：

      • 無符號除法，暫存器 rs 的值除以暫存器 rt 的值，商寫入 LO 暫存器中，餘數寫入 HI 暫存器中。

    • 操作定義：

      ewr

    • 例 外：

      • 無

  13. MULT

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011000
      位數 6 5 5 10 6

    • 彙編格式：

      MULT rs, rt

    • 功能描述：

      • 有符號乘法，暫存器 rs 的值乘以暫存器 rt 的值，乘積的低半部分和高半部分分別寫入 LO 暫存器和 HI 暫存器。

    • 操作定義：

      • prod ← GPR[rs]31..0 ×GPR[rt]31..0
      • LO ← prod31..0
      • HI ← prod63..32

    • 例 外：

      • 無

  14. MULTU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011001
      位數 6 5 5 10 6

    • 彙編格式：

      MULTU rs, rt

    • 功能描述：

      • 無符號乘法，暫存器 rs 的值乘以暫存器 rt 的值，乘積的低半部分和高半部分分別寫入 LO 暫存器和 HI 暫存器。

    • 操作定義：

      • prod ← (0 || GPR[rs]31..0) ×(0 || GPR[rt]31..0)
      • LO ← prod31..0
      • HI ← prod63..32

    • 例 外：無

04-2 邏輯運算指令

123

123

  1. AND

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100100
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      AND rd, rs, rt

    • 功能描述：

    • 暫存器 rs 中的值與暫存器 rt 中的值按位邏輯與，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← GPR[rs] & GPR[rt]

    • 例 外：

      • 無

  2. ANDI

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 001100 rs rt imm
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      ANDI rt, rs, imm

    • 功能描述：

      • 暫存器 rs 中的值與 0 擴充套件至 32 位的立即數 imm 按位邏輯與，結果寫入暫存器 rt 中。

    • 操作定義：

      GPR[rt] ← GPR[rs] and Zero_extend(imm)

    • 例 外：

      • 無

  3. LUI

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 001111 00000 rt imm
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      LUI rt, imm

    • 功能描述：

      • 將 16 位立即數 imm 寫入暫存器 rt 的高 16 位，暫存器 rt 的低 16 位置 0。

    • 操作定義：

      GPR[rt] ← (imm || 0000 0000 0000 0000)

    • 例 外：

      • 無

  4. NOR

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100111
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      NOR rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • 暫存器 rs 中的值與暫存器 rt 中的值按位邏輯或非，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← GPR[rs] nor GPR[rt]

    • 例 外：

      • 無

  5. OR

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100101
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      OR rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • 暫存器 rs 中的值與暫存器 rt 中的值按位邏輯或，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← GPR[rs] or GPR[rt]

    • 例 外：

      • 無

  6. ORI

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 001101 rs rt imm
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      ORI rt, rs, imm

    • 功能描述：

      • 暫存器 rs 中的值與 0 擴充套件至 32 位的立即數 imm 按位邏輯或，結果寫入暫存器 rt 中。

    • 操作定義：

      GPR[rt] ← GPR[rs] or Zero_extend(imm)

    • 例 外：

      • 無

  7. XOR

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 100110
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      XOR rd, rs, rt

    • 功能描述：

      • 暫存器 rs 中的值與暫存器 rt 中的值按位邏輯異或，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← GPR[rs] xor GPR[rt]

    • 例 外：

      • 無

  8. XORI

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 001110 rs rt imm
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：XORI rt, rs, imm

    • 功能描述：暫存器 rs 中的值與 0 擴充套件至 32 位的立即數 imm 按位邏輯異或，結果寫入暫存器 rt 中。

    • 操作定義：GPR[rt] ← GPR[rs] xor Zero_extend(imm)

    • 例 外：無

04-3 移位指令

wer

  1. SLLV

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 000100
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SLLV rd, rt, sa

    • 功能描述：

      • 由暫存器 rs 中的值指定移位量，對暫存器 rt 的值進行邏輯左移，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      • s ← GPR[rs]4..0
      • GPR[rd] ← GPR[rt](31-s)..0 || 0s

    • 例 外：

      • 無

  2. SLL

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 000000
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SLL rd, rt, sa

    • 功能描述：

      • 由立即數 sa 指定移位量，對暫存器 rt 的值進行邏輯左移，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      • s ← sa
      • GPR[rd] ← GPR[rt](31-s)..0 || 0s

    • 例 外：

      • 無

  3. SRAV

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 000111
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SRAV rd, rt, rs

    • 功能描述：

      • 由暫存器 rs 中的值指定移位量，對暫存器 rt 的值進行算術右移，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      • s ← GPR[rs]4..0
      • GPR[rd] ← (GPR[rt]31) s || GPR[rt]31..s

    • 例 外：

      • 無

  4. SRA

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 000011
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SRA rd, rt, sa

    • 功能描述：

      • 由立即數 sa 指定移位量，對暫存器 rt 的值進行算術右移，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      • s ← sa
      • GPR[rd] ← (GPR[rt]31) s || GPR[rt]31..s

    • 例 外：

      • 無

  5. SRLV

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 000110
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SRLV rd, rt, rs

    • 功能描述：

      • 由暫存器 rs 中的值指定移位量，對暫存器 rt 的值進行邏輯右移，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      • s ←GPR[rs]4..0
      • GPR[rd] ← 0s || GPR[rt]31..s

    • 例 外：

      • 無

  6. SRL

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs rt rd 00000 000010
      位數 6 5 5 5 5 6

    • 彙編格式：

      SRL rd, rt, sa

    • 功能描述：

      • 由立即數 sa 指定移位量，對暫存器 rt 的值進行邏輯右移，結果寫入暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      • s ← sa
      • GPR[rd] ← 0s || GPR[rt]31..s

    • 例 外：無

04-4 分支跳轉指令

rty

  1. BEQ

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 000100 rs rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      BEQ rs, rt, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值等於暫存器 rt 的值則轉移，否則順序執行。轉移的目標地址由立即數 offset 左移 2 位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。

    • 操作定義：

      ert

    • 例 外：

      • 無

  2. BNE

    • 彙編格式：

      BNE rs, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值不等於暫存器 rt 的值則轉移，否則順序執行。轉移目標由立即數 offset 左移 2位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。

    • 操作定義：

      234

    • 例 外：

      • 無

  3. BGEZ

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 000001 rs 000001 offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      BGEZ rs, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值大於等於 0 則轉移，否則順序執行。轉移目標由立即數 offset 左移 2 位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。

    • 操作定義：

      234

    • 例 外：

      • 無

  4. BGTZ

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 000111 rs 000000 offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      BGTZ rs, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值大於 0 則轉移，否則順序執行。轉移目標由立即數 offset 左移 2 位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。

    • 操作定義：

      xcv

    • 例 外：

      • 無

  5. BLEZ

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 000110 rs 000000 offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      BLEZ rs, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值小於等於 0 則轉移，否則順序執行。轉移目標由立即數 offset 左移 2 位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。

    • 操作定義：

    • 例 外：

      • 無

  6. BLTZ

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 000001 rs 000000 offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      BLTZ rs, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值小於 0 則轉移，否則順序執行。轉移目標由立即數 offset 左移 2 位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。

    • 操作定義：

      sdf

    • 例 外：

      • 無

  7. BGEZAL

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 000001 rs 100001 offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      BGEZAL rs, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值大於等於 0 則轉移，否則順序執行。轉移目標由立即數 offset 左移 2 位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。無論轉移與否，將該分支對應延遲槽指令之後的指令的 PC 值儲存至第 31 號通用暫存器中。

    • 操作定義：

      hjk

    • 例 外：

      • 無

  8. BLTZAL

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 000001 rs 100000 offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      BLTZAL rs, offset

    • 功能描述：

      • 如果暫存器 rs 的值小於 0 則轉移，否則順序執行。轉移目標由立即數 offset 左移 2 位並進行有符號擴充套件的值加上該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 計算得到。無論轉移與否，將該分支對應延遲槽指令之後的指令的 PC 值儲存至第 31 號通用暫存器中。

    • 操作定義：

      xcv

    • 例 外：

      • 無

  9. J

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 0
      格式 000010 offset
      位數 6 16

    • 彙編格式：

      J target

    • 功能描述：

      • 無條件跳轉。跳轉目標由該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 的最高 4 位與立即數 instr_index 左移2 位後的值拼接得到。

    • 操作定義：

      • I:
      • I+1: PC ← PC31..28 || instr_index || 02

    • 例 外：

      • 無

  10. JAL

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 0
      格式 000011 offset
      位數 6 16

    • 彙編格式：JAL target18

    • 功能描述：無條件跳轉。跳轉目標由該分支指令對應的延遲槽指令的 PC 的最高 4 位與立即數 instr_index 左移2 位後的值拼接得到。同時將該分支對應延遲槽指令之後的指令的 PC 值儲存至第 31 號通用暫存器中。

    • 操作定義：

      • I: GPR[31] ← PC + 8
      • I+1: PC ← PC31..28 || instr_index || 02

    • 例 外：

      • 無

  11. JR

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs 00 0000 0000 00000 001000
      位數 6 5 10 5 6

    • 彙編格式：

      JR rs

    • 功能描述：

      • 無條件跳轉。跳轉目標為暫存器 rs 中的值。

    • 操作定義：

      • I: temp ← GPR[rs]
      • I+1: PC ← temp

    • 例 外：

      • 無

  12. JALR

    • 彙編格式：

      • JALR rd, rsJALR rs (rd=31 implied)

    • 功能描述：

      • 無條件跳轉。跳轉目標為暫存器 rs 中的值。同時將該分支對應延遲槽指令之後的指令的 PC 值儲存至暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      • I： temp← GPR[rs]

        ​ GPR[rd] ← PC + 8

      • I+1: PC ← temp

    • 例 外：

      • 無

04-5 資料移動指令

  1. MFHI

    • 指令格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 00 0000 0000 rd 00000 01 0000
      位數 6 10 5 5 6

    • 彙編格式：

      • MFHI rd

    • 功能描述：

      • 將 HI 暫存器的值寫入到暫存器 rd 中

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← HI

    • 例外：

      • 無

  2. MFLO

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 00 0000 0000 rd 00000 01 0010
      位數 6 10 5 5 6

    • 彙編格式：

      MFLO rd

    • 功能描述：

      • 將 LO 暫存器的值寫入到暫存器 rd 中。

    • 操作定義：

      GPR[rd] ← LO

    • 例 外：

      • 無

  3. MTHI

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs 000 0000 0000 0000 01 0001
      位數 6 5 15 6

    • 彙編格式：

      MTHI rs

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值寫入到 HI 暫存器中。

    • 操作定義：

      HI ← GPR[rs]

    • 例 外：

      • 無

  4. MTLO

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 rs 000 0000 0000 0000 01 0011
      位數 6 5 15 6

    • 彙編格式：

      MTLO rs

    • 功能描述：

      • 將暫存器 rs 的值寫入到 LO 暫存器中。

    • 操作定義：

      LO ← GPR[rs]

    • 例 外：

      • 無

04-6 自陷指令

hjk

  1. BREAK

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 code 001101
      位數 6 20 6

    • 彙編格式：

      BREAK

    • 功能描述：

      • 觸發斷點例外。

    • 操作定義：

      SignalException(Breakpoint)

    • 例外：

      • 斷點例外

  2. SYSCALL

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 6 5 ~ 0
      格式 000000 code 001100
      位數 6 20 6

    • 彙編格式：

      SYSCALL

    • 功能描述：

      • 觸發系統呼叫例外。

    • 操作定義：

      SignalException(SystemCall)

    • 例外：

      • 系統呼叫例外。

04-7 訪存指令

  1. LB

    • 機器指令：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 100000 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      LB rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 取一個有符號byte
      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，據此虛地址從儲存器中讀取 1 個位元組的值並進行符號擴充套件，寫入到 rt 暫存器中。

    • 操作定義：

      sdfs

    • 例外：無

  2. LBU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 100100 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      LBU rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 取一個無符號byte
      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，據此虛地址從儲存器中讀取 1 個位元組的值並進行 0 擴充套件，寫入到 rt 暫存器中。

    • 操作定義：

      ghjhgj

    • 例外：

      • 無

  3. LH

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 100001 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      LH rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 取半個有符號字（ half word）；
      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，如果地址不是 2 的整數倍則觸發地址錯例外，否則據此虛地址從儲存器中讀取連續 2 個位元組的值並進行符號擴充套件，寫入到rt 暫存器中。

    • 操作定義：

fdg

  • 例外：

    • 地址最低 1 位如果不為 0，觸發地址錯誤例外

  1. LHU

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 100001 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      LHU rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 取半個無符號字；
      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，如果地址不是 2 的整數倍則觸發地址錯例外，否則據此虛地址從儲存器中讀取連續 2 個位元組的值並進行 0 擴充套件，寫入到 rt暫存器中。

    • 操作定義：

      dsfsdf

    • 例外：

      • 地址最低 1 位不為 0，觸發地址錯例外

  2. LW

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 100011 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      LW rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 取一個字；
      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，如果地址不是 4 的整數倍則觸發地址錯例外，否則據此虛地址從儲存器中讀取連續 4 個位元組的值，寫入到 rt 暫存器中。

    • 操作定義：

      sadad

    • 例外：

      • 地址最低 2 位不為 0，觸發地址錯例外

  3. SB

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 101000 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      SB rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 寫入一個byte。
      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，如果地址不是 4 的整數倍則觸發地址錯例外，否則據此虛地址從儲存器中讀取連續 4 個位元組的值，寫入到 rt 暫存器中。

    • 操作定義：

    dxcvc

    • 例外：

      • 無

  4. SH

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 101011 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      SH rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 寫入半個字
      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，如果地址不是 2 的整數倍則觸發地址錯例外，否則據此虛地址將 rt 暫存器的低半字存入儲存器中。

    • 操作定義：

      sdfdf

    • 例外：

      • 地址最低 1 位不為 0，觸發地址錯誤例外

  5. SW

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0
      格式 101011 base rt offset
      位數 6 5 5 16

    • 彙編格式：

      SW rt, offset(base)

    • 功能描述：

      • 將 base 暫存器的值加上符號擴充套件後的立即數 offset 得到訪存的虛地址，如果地址不是 4 的整數倍則觸發地址錯例外，否則據此虛地址將 rt 暫存器存入儲存器中。

    • 操作定義：

      cvbv

    • 例外：

      • 地址最低 2 位不為 0，觸發地址錯誤例外

04-8 特權指令

特權指令在上一篇中僅簡單提到了一次。特權指令指具有特殊許可權的指令。 這類指令只用於作業系統或其他系統軟體，一般不直接提供給使用者使用。 在多使用者、多工的計算機系統中特權指令必不可少。

  1. ERET

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 25 ~ 6 5 ~ 0
      格式 010000 1 000 0000 0000 0000 0000 011000
      位數 6 1 19 6

    • 彙編格式：

      eret

    • 功能描述：從 中斷、例外 處返回。

    • 操作定義：PC ← EPC，Status.EXL ← 0，重新整理流水線。

    • 例外：無

  2. MFC0

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 3 2 ~ 0
      格式 010000 00000 rt rd 0000_0000 sel
      位數 6 5 5 5 8 3

    • 彙編格式：

      MFC0 rt,rd,sel24

    • 功能描述：

      • 從協處理器 0 的暫存器（由rd和sel組合指定）取值到通用暫存器rt中（用GPR表示），當然，有一些CP0暫存器不支援sel，這時sel=0

    • 操作定義：

      • GPR[rt] ← CP0[rd, sel]

    • 例外：

      • 無

  3. MTC0

    • 機器格式：

      地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 3 2 ~ 0
      格式 010000 00100 rt rd 00000000 sel
      位數 6 5 5 5 8 3

    • 彙編格式：

      MTC0 rt, rd, sel

    • 功能描述：

      • 向協處理器 0 的暫存器存值

    • 操作定義：

      • CP0[rd, sel] ← GPR[rt]

    • 例外：

      • 無

05 其他指令集簡介

指令集其實太多了，比如2020年就又出了Loongarch指令集，要每種都在一篇文中講完太過分了。其實我最想說的是×86和RISC-V指令集。後續我還打算繼續瞭解這兩方面的內容（一個經典且廣泛應用，另一個新興且優美），csapp也是×86指令集。

0417看到一個新聞，說是wave computing(MIPS的ip擁有者)轉向了RISC-V。網上感慨的人還很多。

05-1 ×86

×86由16位的8088 / 8086指令系統發展而來，是32位的CISC系統。

  1. 暫存器

    共有8個通用暫存器和8個其他暫存器：

    通用暫存器有：

    暫存器編號 000 001 010 011 100 101 110 111
    暫存器名字 EAX ECX EDX EBX ESI EDI ESP EBP

    其他有：狀態暫存器EEFLAGS、程式暫存器EIP、還有六個段暫存器CS、SS、DS、ES、FS、GS。

  2. 指令格式

    ×86需要向前相容16位系統甚至再之前的8位系統，所以現在的×86極其複雜，硬體實現也很困難。從上一篇文也可以知道它是變長編碼，通過類似於資料結構哈夫曼樹的形式進行編碼，實現字首碼不衝突。

  3. 定址方式

    支援8種定址方式：

    序號 定址方式 EA / 運算元S 指令示例
    1 立即數定址 S = Disp MOV EAX,1000
    2 直接定址 EA = Disp MOV EAX,[1080H]
    3 暫存器定址 S = R[R / M] MOV EAX,ECX
    4 暫存器間接定址 EA = R[R / M] MOV EAX,[EBX]
    5 暫存器相對定址 / 基址定址 EA = R[R / M] + Disp MOV EAX,[ESI+100H]
    6 基址 + 比例變址定址 EA = S * index + Base MOV
    7 基址 + 比例定址 + 偏移量定址 EA = S * index + Base + Disp MOV EAX,[EBX+EDI*4+66]
    8 相對定址 EA = PC + Disp JMP 1000H

05-2 RISC - V

清華計組RISC-V

  1. 暫存器

    RISC-V的暫存器和MIPS大同小異，各種用途的暫存器各有所增減。

  2. 指令格式

    首先遵循RISC的一些要求，同時可以擴充套件為變長。RISC-V的特色是指令硬體實現容易，最大的特色是指令字中的各欄位位置固定（這一點MIPS都沒有做到，可以說更整齊了）。

    較於MIPS多了好幾種格式。

    xcvxcb

  3. 定址方式

    # 定址方式 有效地址EA / S 指令示例
    1 立即數定址 S = imm addi = rd,rs1,imm
    2 暫存器定址 S = R[rs1] add rd,rs1,rs2
    3 暫存器相對定址 / 基址定址 EA = R[rs1] + imm lw rd,imm(rs1)
    4 相對定址 EA = PC+imm<<1 beq rs1,rs2,imm

    加粗是與地址直接相關的部分。

06 簡單回顧 | Review

這部分主要針對MIPS指令集本身進行了學習，主要是它上層的彙編表示和下層的機器表示，以及它的訪存方式、運算元等等。

  1. 可以用的運算元；
  2. 定址方式各種；
  3. 以指令功能分類的各種指令，方便查閱；
  4. 簡單提了提其他指令集

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