第5講指令系統(tǒng)與mips匯編語言1部分

1、器器地器器地址 寄存器（寄存器地址 輸入輸出端口（輸入輸出端口地址 數(shù)值（無符號、定點、浮點 邏輯型數(shù)、字 地址（操作數(shù)地址、指令地址操作數(shù)方 大端（big-endian）次序：最高有效字在地址最小位 小端（little-endian）次序：最低有效字在地址最小位例： Int a; /0 x12345678 地址 地 值大端次小端次6(2012(2012級東民）第五講：指令系統(tǒng)與MIPS2一二CISC與三MIPS 操作類型：應(yīng)該提供哪些（多少）操作用已經(jīng)足夠編寫任何計算程序，但不實用，程序太長。 操作對象：如何表示？可以表示大多數(shù)是雙值運算（如存在單值運算（如 指令格式：如何將這些內(nèi)容編碼成一

2、致的格式31.1 機器指令的要 操作碼(Operation Code)：指明進行的何種操源操作數(shù)地址(Source Operand Reference)：參加操作的操作數(shù) 目的操作數(shù)地址(Destination Operand Reference)：保存操作結(jié)的地址下條指令的地址(t Instution Rfenc)：指明下一條要運行的指令的位置，一般指令是按順序依次執(zhí)行的，所以絕大多數(shù)指令中并不顯式的指明下一條指令的地址，也就是說，指令格式中并不包含這部分信息。數(shù)指令需要顯示指明下一條指令的地址。41.1 1.1 51.2 指令的表 機器表示：二進1.2 指令的表 機器表示：二進制代碼形符號

3、化表示：助記符，如MOV 操作數(shù)地址的數(shù)三地址Des(Sur1)OP雙地址Des (Sur) OP 單地址：累加器作為默認操作數(shù)的雙操作數(shù)型，或單操作數(shù) 無地址：隱含操作數(shù)型，或無操作數(shù)指令類 數(shù)據(jù)傳輸指令：寄存器與器之間，寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯運算指令：寄存器（或器）中整型數(shù)或邏輯型據(jù)的運算操作。 程序控制指令：控制程序執(zhí)行順序，條件轉(zhuǎn)移或跳轉(zhuǎn)，子程調(diào)用和返回 浮點運算指令：處理浮點數(shù)的運 寄存器比器 寄存器便于編譯器 寄存器可以 減少器，提高速 提高代碼密度，寄存器地址比器地址9DesSur1Sur2DesSur 指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機器語言編程者的視角，機結(jié)構(gòu)和行為能力的指令級抽Soft

4、ware layers Hardwarelayers fordesign7Circuit Digital Datapath & Instruction Set Architecture 指令集系統(tǒng)架構(gòu)（ISA） 大部分ISA Register-Memory式ISA（如多種指令可以內(nèi)存Load-Store式ISA（如只有裝載（LOAD）和（STORE）指令可以內(nèi)81.2 1.2 固定長度操作碼：操作碼長度（占二進制位數(shù)）固定 可變長度操作碼：操作碼長度隨指令地址數(shù)目的不同而不同指令長 定長指令系統(tǒng)，如MIPS指 變長指令系般為字節(jié)的整數(shù)倍，如80X86指1.3 形式地址與有效地 形式地址：指令中

5、直接給出的地址編碼有效地址：根據(jù)形式地址和尋址方式計算出來的操作數(shù)在內(nèi)存單元 尋址方式：根據(jù)形式地址計算到操作數(shù)的有效地址的方式（算法 立即尋 寄存器直接尋 寄存器間接尋 基址尋址/變址尋 相對尋址：基址尋址的特例，程序計數(shù)器PC作為基址寄存 堆棧尋目的 址源地目的地源地Imme.目的 址源地目的地源地Imme.1.3 1.3 如指令，指令中僅有一個主虛存地址的，且指令中僅有一二種尋址方式。/tr型機器指令屬于這種情況。 如指令，指令中有多個操作數(shù)，且尋址方式各不相同，需要各自說明尋址方式。目的操作數(shù)尋址方源操作數(shù)尋址方1.3 OP Des SurA或Add（內(nèi)存地址 Mod SP：堆棧指針（

6、寄存器EA DataOperand (Rn)：寄存器Rn的內(nèi)容（值 MemA：內(nèi)存地址為AImmeData XXH：16進制數(shù)1.3 1.3 操作數(shù)直接在指令代碼中給出源操作說 立即尋址只能作為雙操作數(shù)指令的源操Operand=Imme.例：MOV AX,1000H （80X86指令， addi$s1$s2100 （MIPS指令$s1 思立即尋址的操作數(shù)在什么地方，器 or 寄存器 立即數(shù)的地1.3 寄存器直接尋 操作數(shù)在寄存器中，指令地址字段給出寄存器的地址（編碼EA=Rn,Operand= 例：MOV BX, AX （80X86指令add $s1,$s2,$s3 （MIPS通用寄存器組1.

7、3 1.3 寄存器間接尋操作數(shù)在器中，指令地址字段中給出的寄存器的內(nèi)容是操作數(shù)存 例：MOV AX, BX （80X86指令, AX 器寄存器1.3 址寄存器的內(nèi)容與形式地址之和是操作數(shù)的內(nèi)存EA = (Rb)+A, Operand = 例：MOV AX, 1000HBX （80X86指令，AXMem(Bx)lw $s1,100($s2) （MIPS指令，$s1 Mem$s2+100）Mod 基址尋址的作用：較短的形式地址長度可以實現(xiàn)較大的空間的尋址操作數(shù)在器中，指令地址字段給出一變址寄存器和一形式地址EA =(Rx)+A, Operand = Rx (Rx) + （操作數(shù)Data的字節(jié)數(shù)例：

8、MOV AX1000HDI（80X86指令Mod EA = (PC)+A, Operand = 例：JNE A （80X86指令beq $s1$s2, 100MIPS指令1.3 1.3 堆棧的結(jié)構(gòu)：一段內(nèi)存區(qū)域堆棧指針(SP)：是一個特殊寄存器部件, 指向棧壓棧操作：PUSH Rn，假定寄存器Rn為16位寄存器 (SP) (Rn), SP (SP)-2壓棧后A-A-壓棧前堆1.3 出棧操作：POP Rn，假定寄存器Rn為16位寄存器 SP (SP) + 2， Rn (SP)出棧前出棧后堆1.3 1.3 方算立操作數(shù) 主要優(yōu)指令執(zhí)行主要缺器直EA 有效地址計地址范圍有寄存器直操作數(shù)指令執(zhí)行快，指

9、令地址范圍有寄存器間EA 地址額外 器相EA 堆EA 棧第五講：指令系統(tǒng)與MIPS匯指令系統(tǒng)概指令格尋址方二典型指令系統(tǒng)介8086/8088指令系MIPS指令系CISC與三MIPS匯編語2.18086/8088指令系器單元結(jié) 按字節(jié)單元 可2.18086/8088指令系器單元結(jié) 按字節(jié)單元 可以字節(jié)、字、雙字為單方式采高字低字字單器指令系統(tǒng): 指令系統(tǒng): 1971年1月，In 4004，第一枚4位微處理器1972年4月，In 8008，第一個8位微處理器。8008采用P溝道MOS電1973年8月， In 8080， 8位微處理器，以N溝道MOS電路取代了P溝1978年6月，IIIn 8086/

10、8088， 16位器問世，也標(biāo)志著x86架構(gòu)和 PC (1981年)的產(chǎn)生。MS1981年 1982年2月1985年10月位進入 位時代paq崛 80387Dell崛起。1993年3月，In lPPPentium586CPU問世，命名為8086/808880868088CPU1978年由In 推出，16 CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計算機） 29000 速度可分為5MHz、8MHz、數(shù)據(jù)總線、外部數(shù)據(jù)總線均為16 地址總線為20位，可尋址1MB1981年，IBM推出首款選用8088CPU的個人電腦IBMPC8086/80888086/8

11、08880868088CPU結(jié)2.18086/8088指令系器及器地址結(jié) 主存容量為1M（220），可直接的主存物理地址為20位。超1M的空間通過其他方式 80868088機器字長16位，所有寄存器長度為16位，數(shù)據(jù)總線 主存采用分主存單元的地址構(gòu)成：段基址（16 bits） 段內(nèi)偏移（16 可執(zhí)行程序（.EXE）的結(jié)構(gòu)：代碼段(Code Segment)，數(shù)據(jù)段(Data Segment)，堆棧段(Stack Segment)，擴展數(shù)據(jù)段（可命令程序（.CO）的結(jié)構(gòu)：代碼段，數(shù)據(jù)段和堆棧段必須同一個段。所以命令程序最大為64B空間。16位段基（左移4+20位物理地（16位段內(nèi)偏移（2.180

12、86/8088指令系通用寄存器：數(shù)據(jù)寄存器(Data 2.18086/8088指令系通用寄存器：數(shù)據(jù)寄存器(Data AX，BX，CX，DX（16位AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL（8位） AX：累加 BX：基址寄存 CX：計數(shù) DX：數(shù)據(jù)寄存888086/8088通用寄存器：指針寄存器(Pointer 堆棧指針：SP（16 位 基址指針：BP（16位），默認指向通用寄存器：變址寄存器(Index SI，DI：16一般情況下，二者使用上無差異，在串操作中，SI 對應(yīng)源操作數(shù)，DI162.18086/8088指令系段寄存器(Segment 代碼段(Code Segment)，數(shù)據(jù)段

13、（Data Segment），堆棧段（Stack Segment），擴展數(shù)據(jù)段（Extend data Segment）代碼段寄存器：CS（16 數(shù)據(jù)段寄存器：DS （16 堆棧段寄存器：SS （16 擴展段寄存器：ES （16 162.18086/8088指令系指令指針I(yè)P（InstructionIP（16 bits 指向代碼段中下一條要執(zhí)行的指令CS IP 形成下一次要執(zhí)行的指令的標(biāo)志寄存器FLAGS（Flags6個為狀態(tài)標(biāo)志位，記錄當(dāng)前CPU運行程序的各種狀進位標(biāo)志位CF（Carry 輔助進位標(biāo)志位AF（Auxitiary 奇偶標(biāo)志位PF（Parity 零值標(biāo)志位ZF（Zero 符號標(biāo)志

14、位SF（Sign 溢出標(biāo)志位OF（Overflow 3個為控制標(biāo)志位，用于控制微處理 單標(biāo)志位TF（Trace 中斷允許標(biāo)志位IF（Interrupt-enable 方向標(biāo)志位DF（Direction 2.18086/8088指令系 立即尋址如：MOV AL, 寄存器直接尋址， 如： MOV AX, 基址（變址）尋址，如： MOV AX, 串操作尋址如：MOVSB /隱含尋址DS (SI) ES I/O尋址如：OUT DX, AL /DX為MOV AX, 1000HBX （指令代碼等價MOVAXDS 器EA=DS MOV SI, 1000H /DS (SI) MOV DI, 3000H /ES

15、 (DI) MOV CX, 0100HREP/SI+ DI+ CX-CS 8086/80888086/80888086寄存 指令長度26個字節(jié)（前2個字節(jié)必須 Opcode：操作碼（6位 RR型或RS型，其中必有一個操作數(shù)在寄存器中（寄存器直接尋址 REG：確定一個操作數(shù)（寄存器直接尋址）， MOD和R/M D：方向字段，表明REGd=1, REG確定目的操作數(shù)，MOD+R/Md=0, REG確定源操作數(shù)，MOD+R/M W：字字節(jié)字段，表明操作數(shù)是字節(jié)（8位）還是字（16位W=1，字（16位W=0，字節(jié)（8位6 1 1 2 一般雙操作數(shù)指令格式與編碼（續(xù)RE（位）個操作數(shù)。與字段配合使用。6

16、 1 1 2 2.12.18086/8088指令系一般雙操作數(shù)指令格式與編碼（續(xù) MOD（2位）和R/M（3位）：確定另外一個操作數(shù)的尋址方式8086/8088MOV MOV的操作 d=1：目的操作數(shù)是寄存器直接尋 W=1：16 REG=000：表示 MOD=10, R/M=000：另一個操作數(shù) 指令前兩個字節(jié) 4字節(jié)指令編碼8086/80888086/8088 傳送指令：MOV，XCHG，LDS，LEA 算術(shù)運算指令：ADD，INC，SUB，CMP 邏輯運算指令：AND，OR，NOT，TEST 處理器控制指令：CLC，STC，CLI，STI，CLD，NOP 程序控制指令：CALL，RET，J

17、MP，JNE，INT，IRET 串指令：MOVSB，MOVSWI/O指令8086/8088 堆棧操作指 有符號數(shù)乘法指 移位指 數(shù)據(jù)傳送與填充指 堆棧操作指 取段寄存器指 有符號數(shù)乘法指 符號擴展指 移位指 位操作指 條件設(shè)置字節(jié)指 循環(huán)控制指 字符串操作指80486新增指令字節(jié)交交換并相加指比較并交換指Cache管理8字節(jié)比較交處理器特征識別讀時間標(biāo)記計數(shù)器指讀模型寄存器指寫模型寄存器指MMX(SIMD, 圖形/音頻SSE(圖形/語音8086(89)-Reg. 01for assembler(為匯編程序保留Reg. 01for assembler(為匯編程序保留v02values for r

18、esults(過程調(diào)用返回值a04t08s016t824more temporaries(其他臨時變量k026for kernel(為OS保留global pointer(全局指針 (return address過程調(diào)用返回地址第五講：指令系統(tǒng)與MIPS第五講：指令系統(tǒng)與MIPS二CISC與三MIPS2.2MIPSMIPS R系列CPURISC（Reduced InstructionsetComputer，精簡指令集計算機RISC）微處理器 stages，無互鎖流水級的微處理器），最早在80年代初由Stanford大學(xué)Patterson教授的1986年，推出R2000（32位1988年，推出R

19、3000（32位1991年，推出R4000（64位1994年，推出R8000 （64位 1996年，推出 1997年，推出通用指令體系MIPSI、MIPSII、MIPSIII、MIPSIV到 MIPSV，指令體系MIPS16、MIPS32到，發(fā)展已經(jīng)十分成熟。在設(shè)計理念上強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設(shè)計。2.2 2.2 MIPS 指令系MIPSR2000/R3000 寄存器結(jié)32位虛擬地址空3232bitGPRs, 3232 bit FPRs, HI,LO,2.2 MIPS 指令系MIPS 寄存器Registersarereferencedeitherbynumber$0$31,orb

20、yname2.2 2.2 MIPS 指令系MIPS指令格 MIPS只有3種指令格式，32位固定長度指R（Register）類型指令：兩個寄存器操作數(shù)計算，結(jié)果送寄存I（Immediate）類型指令：使用1個16位立即數(shù)作操作數(shù)J（Jump）類型指令：跳轉(zhuǎn)指令，26 最多3地址指令：add $t0$s1$s2 ( 對于Load/Store指令，單一尋址模式 簡單轉(zhuǎn)移條件（與0比較，或者比較兩個寄存器是否相等2.2 MIPS 指令系MIPS 指令格Op：6bits, Rs 5bits,TheregistersourceRt 5bits,ThesecondregistersourceRd 5bits

21、,TheregisterdestinationShamt 5bits,Shiftamount(shiftFunc 6bits,functioncode(anotherR類 2.2MIPS MIPS2.2MIPS 指令系統(tǒng) Load/Store（取數(shù)/）指 I2.2MIPS MIPS2.2MIPS 指令系統(tǒng) Load/Store（取數(shù)/）指 I類型指令，器與通用寄存器之間傳送數(shù) 支持唯一的器尋址方式 取數(shù)指令：LB（取字節(jié)）、LBU（取不帶符號字節(jié)）、LH（取半字）LHU（取不帶符號的半字）、LW（取字）、LWL、 指令：SB（存字節(jié)）、SH（存半字）、SW（存字）、SWL、 mfhimflo等

22、 邏輯運算：and, andi, or, ori, xor, xori, nor2.2 MIPS 2.2 MIPS 指令系統(tǒng) 跳轉(zhuǎn)指令：J類型指令（26位絕對轉(zhuǎn)向地址）或R類型指令（32位的轉(zhuǎn)移指令：I類型指令，rlativ尋址方式，相對程序計數(shù)器的位位移量（立即數(shù)）。跳轉(zhuǎn)：J 、JAL、JR、轉(zhuǎn)移：BEQ（相等轉(zhuǎn)移）、BNE（不等轉(zhuǎn)移）、BLEZ（小于或等于0轉(zhuǎn)移）、BGTZ（大于0轉(zhuǎn)移）、BLTZ（小于0轉(zhuǎn)移）、BLTZAL、 R類型指 系統(tǒng)調(diào)用 斷點2.2 MIPS 指令系R-Type指令編碼示指令：add$t0$s1$s2 t0(S1 Op000000（表示R- = Shamt=000

23、00（表示沒有移位2.2 2.2 MIPS 指令系統(tǒng) add$1,$2,$3 $1 $2 + $3 sub$1,$2,$3$1 $2 $3 addimmediate addi$1,$2,100 $1 $2+multHi,Lo $2 divLo $2Lo Hi $2modHi move from Himfhi$1$1 Hi move from Lomflo$1 $1 Lo and$1,$2,$3$1 $2 & $3LogicalANDor$1 $2 | LogicalswStorelw$1,-$1Mem($2-Load$31 jumpandlinkjal1000 Go to 1000jumpregisterjr$31 Go to $31 set on less thanslt$1,$2,$3if ($2 $3) than $1 1else$1 2.2 MIPS 指令系統(tǒng) SWAP：MIPS第五講：指令系統(tǒng)與MIPS第五講：指令系統(tǒng)與MIPS二CISC與三MIPSCISC與 增強指令功能：CISC（Complex Instruction Set Computer），即復(fù)思路：把一些原來由實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件指令來實 簡化指令功能：RISC（ Reduc