第五章：指令系统
第五章：指令系统
记得在第一章写的层次结构吗？
ISA是一种规定和结构规范，是软件和硬件之间的接口。
目前分为Intel x86（支配着计算机的PC时代）
arm（最流行的嵌入式设备指令系统）
MIPS和RISC-V（新兴的，能够使得计算机系统构建变得简单）
指令集又分为复杂指令集和精简指令集，Intel x86属于复杂指令集，其他属于后者。
MIPS和X86两种ISA，都有32位和64位两种版本，也就是说寄存器可以是32位和64位
本章的学习流程会配合C语言，需要你根据一段C语言代码找到对应的MIPS代码。使用GodBolt能够将C语音代码转化为其他指令系统的代码。
MIPS
MIPS是“Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages”的缩写，即“无互锁流水级的微处理器”
MIPS规定了在CPU内部有32个通用寄存器，每个寄存器的大小是32位，32位为一个字，也就是一个字等于四个字节。
MIPS是精简指令集
寄存器寻址
注意看，addu是无符号加指令，subu是无符号减指令（上面没有） ，li是加载指令，jal是程序跳转指令，该指令意味着程序需要暂时离开当前位置去执行一个子任务（函数或者子程序）
首先，将25加载到7号寄存器，将12加载到6号寄存器，直到将-10加载到4号寄存器，jal指令跳转到函数add中继续执行，将4号和5号相加，结果存到4号寄存器，随即将4和6相加放到4号，再将4和7相加，结果放到2号寄存器返回给res
基址寻址
栈指针是29号寄存器，里面存有一个存储地址这里是偏移值8，sw是存数指令，将一个字的数据存到指定的内存单元中。
这里将1存入2号寄存器，随后将2号寄存器的值存入到24+$sp(8) = 32号主存中，循环往复直到主存被写入A数组的6个元素，随后给5号寄存器写入10，addiu执行将8+24=32存放到4号寄存器中，随后jal跳转到add_3
add_3中有三条指令
1 | |
lw是取数，从指定内存地址取得一个字，这是取得4号寄存器的值32+12（索引是3，一个字是4，那就是3*4 = 12）= 44存入2号寄存器中，nop指令是空操作指令，addu将2和5相加，结果存入2号寄存器
数据传送指令：在主存储器和寄存器之间传送数据指令，比如sw，lw。
$sp也可以叫基址寄存器,又名栈指针寄存器，写在前面的值是偏移值offset，目标地址为$sp+offset。
CPU寄存器是主体，主存是客体
初次之外还有立即寻址，也就是操作数就在指令内，这样的操作数称为立即数。
整体指令执行流程
两种寻址方式讲的有点细，我们需要跳出来看整体的执行流程。指令也一样是存在主存中的，一开始PC是0，CU向PC和MAR发送信号，将PC的值发送到MAR，通过地址总线读取0号内存的指令，CU通过控制总线发送信号，主存将指令发送到CPU的MDR中，PC自动加4(每一条指令4个字节)，MDR中的指令会移交到IR，CU对IR做译码操作，ALU将4号寄存器里的值和偏移值12做加法，得到44送到MAR，CU,MAR配合读出44号内存的数字存到寄存器中。
R型指令格式
R型指令可以表示算数，逻辑，移位运算指令。
一条指令对应的二进制位长度就是指令字长。
精简指令集比如RISC或者MIPS是定长的。
复杂指令集比如CISC是变长的。
MIPS中所有的指令都是32位的，32位分布结构如下：
前六位op是用来区分指令格式的，可以分为R型（寄存器型），I型（立即数型），J型（跳转型）等等。
比如指令add $2,$4,$6$4是rs（第一源）,$6是rt（第二源）,$2是rd（目的寄存器）。
指令送入IR中，译码器根据前6位操作码确定格式，CU再根据最后6位功能码进行译码分析其操作，转交ALU或者其他模块执行。
寄存器地址是5位，因为2^5=32，正好能够表示32个寄存器。
而位移量是5位，5位二进制数恰好可以表示0到31（2^5=32个值），而这足以覆盖一个32位寄存器所有有意义的移位操作。
你只需要知道原理，不需要知道具体怎么写，我们不可能用汇编语言或者机器语言来写程序。
乘除指令
记得之前说过的吗？有两个32位的乘商寄存器：Hi和Lo是专用寄存器。
mult是将两个操作数存到专用寄存器中，mflo再将结果存到2号寄存器中
除法也是差不多，在这里就不赘述了。
R型指令格式的总结
因为指令字长是一定的，所以即使nop只有一个操作字段，也不得不用32位来表示，虽然这样看起来确实很规整。
I型指令格式
其中rs是源操作数寄存器，rt是目标操作数寄存器，im是立即数，就是包含在指令中的操作数，范围是-32768到+32767。
I型指令没有独立的功能码，因为从根本上就不需要。
比如指令lw $2,1200($4)，所以$4是rs，1200是立即数,$2是目标操作数寄存器。
总结
MIPS执行if语句
MIPS中执行循环结构
将同一段高级语言代码能够转化为不同的汇编语言代码，不同汇编代码之间性能差别很大，挑选并采用最佳性能的过程叫优化。
指令设计
指令长度：字面意思，就是指令的长度，就是指令的二进制位数。
越短越好，降低空间开销。
可以设置为**定长指令集(MIPS)，或者是变长指令集(x86)**。
指令格式：
一般指令都需要两个部分，一个是操作码一个是地址码，地址码可以是立即数或者寄存器编号，也可以有多个地址码。
但是我们会使用PC存放下一个指令地址
有些操作不需要输出到某个寄存器
部分操作是单目的。
随地址码位数扩大，那么能表示的地址范围就越来越大。
指令寻址
分为立即数寻址，直接寻址，间接寻址，相对寻址，基址寻址，变址寻址，隐含寻址。
其中基址寻址，变址寻址，隐含寻址统称偏移寻址。
立即数寻址就是在指令中直接给出操作数本身。
直接寻址分为寄存器直接寻址和主存直接寻址。
寄存器直接寻址就是操作数存放在CPU寄存器中，主存直接寻址就是操作数放在主存中，指令给出寄存器编号或者主存的有效地址来寻找并调用操作数。
因为寄存器数量远小于主存单元数，所以寄存器编号比主存短很多，所以寄存器寻址方式的指令比较短，访问也比主存更快。
间接寻址也分为寄存器间接寻址和主存间接寻址。
寄存器间接寻址就是：指令中的地址码是一个寄存器编号，寄存器中存放的是操作数的有效地址，常用于指针。
主存间接寻址就是：在指令中给出的地址码是存放操作数有效地址的主存单元地址，用的比较少。
基址寻址：指令中给出形式地址R和偏移量offset
操作数的有效地址等于给出的形式地址R加上某个偏移量offset
相对寻址：操作数有效地址等于PC寄存器的值加上给出的偏移值offset
变址寻址：
操作数地址等于一个基地址和一个动态可变偏移量相加。
可变偏移量往往是一个内容可改变的寄存器
隐含寻址是一种特别的指令设计技巧，它的核心在于指令中并不直接写明某个操作数的地址，而是通过操作码或约定俗成的规则隐含地指定
为了让CPU知道寻址方式，指令往往是这种结构：
