Computer Organization - Ch2 Instruction

Chapter 2   Instruction

2.1   Instruction 設計哲學

• 簡單明瞭有助於一致性  (Simplicity favors regularity)
• Arithmetic Operations：add  a,b,c   #a <- b + c，所有的算術算子都是這個規格。
• 小就是快  (Smaller is faster)
• Register Operands：arithmetic operations拿register operands來操作，因為register小所以快，MIPS擁有32 × 32-bit register file，也就是8*8 byte register，32bit又稱做一個word，$t0~$t9是暫存用，$s0~$s9是儲存用。
• Memory Operands：但有時也需要使用較大的空間，因此有memory operands，需要load和store因此較慢，compiler會盡量使用register operands。以下是一些memory operands的特性：
• byte addressed：每1個位址代表1個byte (8 bit)
• Alignment：為了加快執行速度，在讀 memory的時候會以一個 word 為單位，因此 data 在儲存時，memory offset 便會是 word size 倍數，藉此增加效能。
• Big Endian and Small Endian：MIPS在一個word內的存放順序是Big Endian，most-significant byte在位址數目最小的位子
• ex:0x12345678 (word內的順序)
• 1.  little indian:78 56 34 12
• 2.  big indian:12 34 56 78
• 讓常出現的部分加快  (Make the common case fast)
• Immediate Operands：因為小的常數操作常出現，因此有immediate operands避免掉一個load，例如addi $s3,$s3, 4。
• The Zero Constants：MIPS register 0 ($zero) 裡面只裝常數「0」，不能被覆寫，常用來移動值，例如 add $t2, $s1, $zero。
• 好的設計需要好的折衷辦法  (Good design demands good compromises)
• R-format、I-format、J-format：根據需求有不同的format，但都是32bit且各個format盡量相似，以下是各種format。

2.2   MIPS Quick Look

• 重要暫存器一覽 

• 指令格式一覽

• 重要的指令碼一覽
• add ： op ＝0 ，funct＝32
• sub ： op ＝0 ，funct＝34
• lw ： op ＝35 　＃讀檔
• sw ： op ＝43 　＃存檔
• beq ： op ＝4 　＃比較是否相等
• bne ： op ＝5 　＃比較是否不相等
• sll ： op ＝0 ，funct＝0 　＃左移
• slt ： op ＝0 ，funct＝42 　＃比較大小
• addi： op＝ 8 　＃加法(立即值用)
• j ： op＝ 2
• 重要範例程式：procedure call以階乘為例，對照著activation record練習
• 進入procedure：下一行指令的位址放入$ra並跳到目標位址
• 離開procedure：把$ra裡的位址取出回到母函式

• Addressing and Memory Accesses
• Jump指令 (Pseudo-direct addressing)
• 有限的32位指令長度對於大型程序的分支跳轉支持確實是個難題。MIPS指令中最小的操作碼域占6位，剩下的26位用於跳轉目標的編址。由於所有指令在記憶體中都是4 word對齊的，因此最低的2個地址位是無需存儲的，這样可供尋址範圍为2^(26+2)=256 MB。分支跳轉地址被當做一個256 MB的段內絕對地址，而非PC相對尋址。這對於地址範圍超過256 MB的跳轉程序而言是無能为力的，所幸目前很少遇到這麼大的遠程跳轉需求。
• Branches out of segment
• 段外分支跳轉可以使用暫存器跳轉指令實現，它可以跳轉到任一32位地址。
• Conditional branches
• 條件分支跳轉指令opcode的後16位branch offset是相對PC的有號偏移量，由於指令是4 word對齊的，因此可支持的跳轉範圍實際上是2^(16+2)=256KB（相對PC的-128 KB~+128 KB）。如果確定跳轉目標地址在分支指令前後的128KB範圍內，編譯器就可以編碼只生成一條簡單的條件分支指令。