第二章 指令：计算机的语言

第二章 指令：计算机的语言

第二章 指令：计算机的语言2.1 引言 2.11 并行与指令：同步

2.2 计算机硬件的操作2.3 计算机硬件的操作数 2.4 有符号和无符号数 2.5 计算机中指令的表示 2.7 决策指令 2.8 计算机硬件对过程的支持 2.9 人机交互 2.10 MIPS中32位立即数和地址的寻址

2.12 翻译并执行程序2.13 以一个C排序程序为例 2.14 数组与指针 2.15 高级内容：编译C语言和 解释JAVA语言 2.16 实例：ARM指令集 2.17 实例：X86指令集 2.18 谬误与陷阱

2.19 本章小结

2.1 引言 一台计算机的全部指令称为该计算机的指令集

计算机设计者的目标： 找到一种语言，可方便硬件和编译器的设计 性能最佳、成本和功耗最低 MIPS指令集 ARM和X86指令集：CISC和RISC

2.2 计算机硬件的操作 一条指令的例子：add a,b,c

操作数和操作码：寄存器和存储器 MIPS指令类别(P44):简单源于规整 算术 数据传输 逻辑 条件分支 无条件跳转

一个例子：P45

高级语言和汇编语言例1:a=b+c 编译结果： add a,b,c

例2:f=(g+h)-(i+j); 编译结果： add t0,g,h #temporary variable t0 contains g+h add t1,i,j #temporary variable t1 contains i+j

sub f,t0,t1 # f gets t0-t1,which is (g+h)-(i+j)

2.3 计算机硬件的操作数 寄存器：字(MIPS 32位)

设计原则：越少越快 将程序变量和寄存器对应起来是编译器的工作 例：f=(g+h)-(i+j); 变量fghij依次分配给寄存器 $s0,$s1, $s2,$s3, $s4,求编译后的MIPS代码 add $t0,$s1, $s2 #register $t0 contains g+h

add $t1,$s3, $s4 #register $t1 contains i+j sub $s0,$t0, $t1 #f gets $t0- $t1,which is (g+h)(i+j)

2.3.1 存储器操作数 复杂数据结构放在存储器中 数据传送指令：存储器 寄存器

取数指令：lw; 存数指令：sw 例：g=h+A[8] lw $t0,8($s3) #temporary reg $t0 gets A[8] add $s1,$s2,$t0 #g=h+A[8] 8为偏移量，$s3为基址寄存器

存储器操作数(续) 编译器在存储器中为数组和结构数据分配位置

字节地址 VS 字地址 对齐限制：字的地址必须为4的倍数 大端(big end)和小端(little end) 例(略，p48) 编译器尽量将常用的变量保持在寄存器中，其他的变 量放在存储器中。将不常使用的变量存回到存储器中 的过程叫“溢出”。

编译器必须高效使用寄存器：高性能和节省功耗

2.3.2 常数或立即操作数 其中一个操作数是常数的算术运算指令

addi $s3,$s3,4 加速执行常用操作：速度快，能耗低 常数0可以简化指令集：数据传送指令 MIPS将寄存器$zero恒置为0 讨论：寄存器数目随时间如何变化？好像摩尔定律？

2.4 有符号和无符号数 二进制、字、最低有效位、最高有效位 讨论：

如何表示符号？ 补码：求补码的方法：按 位取反，末位+1-0000 0000 0000 0010 1111 1111 1111 1101 1 1111 1111 1111 1110

0000 0000 0000 0010的补码？

2.5 计算机中指令的表示 计算机中指令和数都是二进制代码

指令格式：指令布局

… 0000010000000001 MIPS指令32位，与数据字的位数相等 0010000010010000 0011010000001001 指令的数字形式：机器语言 …

MIPS指令字段

取字指令：需要两个寄存器和一个常数，因此限制了操 作数的范围。

——优秀的设计需要适宜的折中方案

I型指令R型指令：用于寄存器；

I型指令：用于立即数和数据传送指令

lw $t0,32($s3)8 19

#temporary reg $t0 gets A[8]MIPS汇编中，$s0-$s7映射到寄存器16-23 $t0-$t7映射到8-15

MIPS指令编码如何判断指令是哪种格式？

计算机中指令的表示—重点 指令用数的形式表示 和数一样，程序存储在存储器中，并且可以读写 存储程序概念 “二进制兼容”