计算机组成原理——2 指令：计算机的语言

本章核心是理解计算机如何通过指令（Instructions）执行任务。我们将以MIPS-32指令集为例，深入探讨计算机语言的方方面面。

第一部分：MIPS-32 概述

MIPS是一种精简指令集计算机（RISC），其设计哲学是力求硬件简单，从而提高执行效率。

1. 指令的组成

   • 任何一条计算机指令都由两部分构成：
     • 操作码 (Opcode)：指定要执行的操作，例如加法、减法。
     • 操作数 (Operand)：指定操作所需的数据来源或数据要存放的目标位置，通常是寄存器或内存地址。
   • 在MIPS-32架构中，所有指令的长度都是固定的 32位。

2. MIPS 寄存器

   • MIPS拥有32个32位的通用寄存器，用于在CPU内部高速存取数据。运算指令的操作数必须来自寄存器或指令本身。
   • 常用寄存器约定：
     • 保存寄存器 $s0 - $s7 (编号16-23)：用于存放程序中的变量，在过程（函数）调用中需要被调用者保存其值。
     • 临时寄存器 $t0 - $t7 (编号8-15)：用于存放计算过程中的临时或中间变量，过程调用时无需保存。
     • 零寄存器 $zero (编号0)：其值永远是0。

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第二部分：三类核心汇编指令

MIPS指令主要可以分为运算指令、数据传送指令和决策指令。

1. 运算指令

• 算术运算

  • add des, src1, src2：加法。des = src1 + src2。例如：add $s0, $s1, $s2
  • sub des, src1, src2：减法。des = src1 - src2。例如：sub $s0, $s1, $s2
  • addi des, src1, i：加立即数。des = src1 + i (i是一个常数)。例如 i++ 可写为 addi $s0, $s0, 1。MIPS没有减立即数 subi 指令，因为立即数可以是负数，通过 addi 即可实现。

• 逻辑运算

  • and, or, nor：按位进行与、或、或非运算。例如 and $t2, $t0, $t1。
  • sll des, src, shamt：逻辑左移。将寄存器 src 的值左移 shamt 位，右边补0，存入 des。左移n位相当于乘以 $2$