计算机指令

理清几个点：

1. 指令中存放的二进制码

   例如R型指令：

   opcode:操作码	Rm:第二源操作数	Shamt：位移量	Rn:第一源操作数	Rd:目的寄存器
   11bit	5bit	6bit	5bit	5bit

   例如，这里的Rm位置下的二进制码表示的是二进制的地址(指的是第几个寄存器)，这里用的是寄存器寻址，就是说要取的值还在寄存器里，不会把它放入我们的指令中来。

2. 字	word	大小依赖平台（cpu一次能处理的位数）
   字节	byte	8bit
   位	bit	1bit

   1KB = 1024Bit、1MB = 1024KB 、1GB = 1024MB

2.1引言

计算机中的基本单词成为指令（如ADD，SUB，CMP

指令集为计算机全部指令——也包括伪指令，不过经过汇编器会被编为基本指令。伪指令就是基本指令的变种。

指令集的两种形式：

• 便于人们书写的（汇编语言）
• 计算机所识别的（二进制码)

2.2计算机硬件的操作

例如：

ADD a b c

这汇编语句对应一条指令，这条指令有且只有三个操作数。

这符合我们设计原则1：简单源于规整。

2.3计算机硬件的操作数

LEGv8算数运算指令的操作数必须来自寄存器。

LEGv8的寄存器为64bit。

LEGv8体系下的字为32bit。

双字为64bit。

LEGv8体系下的寄存器被限制为32个。为什么？

设计原则2：越少越快

大量的寄存器会使时钟周期变成，因为电信号要传的更远。
另一个原因是指令的现在，LEGv8指令格式只给操作数分配5个bit,如果寄存器超出32个，那么指令也会随之变长——因为需要更多的位来表示操作数。

2.3.1存储器操作数

STUR	Rd	[基址寄存器，#偏移量]

寄存器溢出：就是指要存的变量的值多于寄存器的个数，所以我们将不常用的变量的值放在存储器中。

2.4有符号数和无符号数

最低有效位：最右边的一位

最高有效位：最左边的一位

原码表示法：符号和幅值表示法（舍弃不用）

补码：

• 前置位为0：正数
• 前置位都为1：负数

补码负值计算公式：

符号扩展——指从存储器中载入寄存器的数值没有64位，那么就要用数字去填充空缺位

• 符号扩展：就是用符号位去填充空缺
• 零扩展：用0去填充空缺位置。

2.5计算机中指令的表示

设计原则3：优秀的设计需要好的权衡和折中

因为有些指令不要三个寄存器,而需要更大位数来表示立即数和跳转地址，但指令长度又被限制于32位，所以好把表示寄存器的位数用于表示立即数。例如无条件跳转指令B，opcode只有6bit剩下的全部用于地址位,还有以下列举的指令类型。

D型指令(load,store)：

opcode	address	op2：操作码的逻辑扩展	Rn：基址寄存器	Rt
11bit	12bit	2bit	5bit	5bit

I型指令（ADDI，SUBI）

opcode	immediate	Rn	Rd
10bit	12bit	5bit	5bit

重点

计算机构建原则：

• 指令用数的形式表示
• 程序和数据一样，存储在存储器上进行读写。

这两个准则引发了存储程序原理的诞生，使得计算机发挥了巨大的潜力。存储器可以存放各种东西。

2.6逻辑操作

• 左移：LSL
• 右移：LSR
• 与：AND——操作位相同，结果位1
• 或：OR——操作位不同，结果位1
• 取反：NOT——0变1，1变0
• 异或：EOR——操作位不同时未1

2.7决策指令

CBZ	register	Lable	如果register为0跳转到Lable
CBNZ	register	Lable	如果register不为0跳转到Lable

B.cond 指令 ，cond表示条件

cond用于有符号数：

• EQ：equal
• NE：not equal
• LT：less than
• LE：less equal
• GT：greater than
• GE：greater equal

cond用于无符号数：

• LO：low
• LS：low same
• HI：high
• HS：high same

LEGv8还有一下四个二进制位来表示指令执行状态：

• 负数标志位（N）
• 零标志位（Z）
• 溢出标志位（V）
• 仅为标志位（C）：若从最高位借位或者进位就设置条件吗。

到头设置标志位的方法：

• 用指令比较两个寄存器大小，然后根据结果跳转。
• 比较两个寄存器的值，然后用第三个寄存器记录比较是否成功。

只有ADD，ADDI，AND，ADNDI，SUB，SUBI能设置条件码，想要设置条件码就在指令尾加S（ADDS)

2.7.2边界检查

SUBS XZR, X20, X11 --X11=length
B.HS IndexOutOfBounds

检查索引是否越界。

如果一个有符号数(非负数) 减去一个无符号数，如果有符号数>无符号数，运算中产生进位或者借位时，C置为1，

如果有符号数是一个（负数）那么大于无符号数，运算中中产生进位或者借位时，C置为1.

跳转指令就可以凭借进位标志位（C）是否为1悬着跳转。

2.8对函数的支持

执行函数的步骤：

1. 将参数放到函数可以访问到的地方
2. 将执行控制权交给函数
3. 获得函数执行所需的存储资源
4. 执行所需的任务
5. 将结果值放在调用程序可访问的地方
6. 将控制点放回调用点，因为一个函数在多个地方可能会被调用

LEGv8为过程（函数）分配寄存器的约定：

• X0~X7：作为参数寄存器用于传递参数和放回结果
• LR（X30）：作为放回地址寄存器，用于放回原始调用点。asdas

分支和连接指令（Branch and Link instruction)

BL procedureAddress
用于跳转到某个地址的同时将下一条指令的地址保存在寄存器中。

寄存器跳转指令（Branch register）

BR LR
跳转会原始调用点。

PC：保存当前真正执行的指令地址

• 程序计数器
• 指令地址寄存器

两个都是PC的别名。

我疑惑：栈为什么要从高地址开始?

	早期的系统需要考虑有限内存下的内存布局问题。具体来说，内存的一端放置了静态代码和静态数据之后，剩余的区域，既需要动态数据，又需要可增长的栈，那么合理的方案就是各放一端向中间生长。现在的问题就是两个选项：静态内存放在哪端；栈是在静态内存的同端还是对端。

2.8.1使用更多的寄存器

问题背景当函数需要的寄存器数量超过8个时，编译器就要使用临时的寄存器。

因为临时的寄存器的寄存器可能放一些值被其他的指令所使用，所以编译器使用临时的寄存器不能留下痕迹（就是要回复原始数据）

这里保存和恢复旧数据使用stack，为了避免保存和恢复一个未使用过的寄存器。

LEGv8将寄存器分为两组：

• X9~X17：不需要保留（调用者负责）
• X19~X28：需要保留（被调用者负责）

2.8.2过程（函数）嵌套

叶过程：不调用其他过程（函数）

如果存在嵌套过程，即A调用B，B调用C。

此时：

• X0_X7与X9X17中所使用的寄存器由调用者负责保存
• X19~X25和LR由被调用者负责保存。

2.8.3在Stack中为新数据分配内存

这个讨论的是，Stack中不仅要保存寄存器的值（寄存器的大小是固定的）还要保存局部变量的值（大小是不固定的，INT32bit，Double64bit）。

过程帧（活动记录）：Stack中包含过程所保存的的寄存器和局部变量的片段。

帧指针：指向给定过程中的寄存器和局部变量的值。

• 一种的帧指针指向过程的第一双字。
• 另一种是在一个过程中为本地存储器引用提供一个固定的基址。

2.8.4在堆中为新数据分配内存

堆：类似链表这样的数据结构通常会在生命期内增长或者缩短，这类数据结构对应的段。

LEGv8语言中寄存器的使用约定：

2.9人机交互

• LDURB：将字节从内存中读到寄存器的最右边
• STURB：将寄存器最右边八位写入内存中

表示一个字符串的三种方法：

1. 保留字符串的第一个位子用于给出字符串的长度（java）
2. 附加一个指明字符串长度的变量
3. 字符串最后一个位置用一个字符来标识结尾（C语言）

2.10宽立即数和地址寻址。

2.10.1宽立即数

宽立即数用于更多位的常量或地址（因为LEGv8的指令长度限制了常熟或者地址的大小）

设置寄存器中的16位：

• MOVZ：将寄存器剩下的位置置0
• MOVK：将寄存器剩余的位置不变

LSL实现要加载的16位字段。LSL后面的数（加载完16位字段后剩余的位）取决于需要64位双字的那个象限。例如加载到第四象限，那么后面剩下48位。

例如：

	被载入的寄存器	被载入的数字		第几位开始载入
MOVZ	X9	255	LSL	16

2.10.2分支寻址

B指令的指令格式：

• 分支指令
• 分支和链接指令

6bit	26bit

CBZ等条件分支指令和依赖条件码分支指令的格式

8bit	19bit	5bit

$$
程序计数器=寄存器内容+分支地址偏移量
$$

这个计算式表明：19位来表示一个地址可能不够用了，因为一个程序不可能小于2^19。

因此我们要指定一个寄存器将它与分支地址偏移量相加，得到跳转的地址。

这里我们要采用PC寄存器，因为条件分支转移地址倾向于转移到附近的指令。SPEC测试中显示转移的范围来16个字以内（16条指令以内，因为一条指令的长度就是一个字）。运用这个公式我们可以转移到2^18个字内，（只要用逻辑操作将分支偏移量*4 因为LEGv8的地址是按字节编址的）。

条件分支和跳转指令（B）采用PC相对寻址。

分支和链接指令采用其他寻址方式。

2.11并行与指令：同步

同步：一个线程若需要其他线程产生的结果那么它需要停下来等待，就是一个个做。

线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作， 其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态，实现线程同步的方法有很多，临界区对象就是其中一种。

例程：某个系统对外提供的功能接口或者服务集合。

lock和unlock可以直接建立互斥区，允许当个处理器操作。

处理器对锁单元加锁的方法使用一个寄存器的1与该锁（锁在临界区里）地址里的值交换，若寄存器为1，表面临界区在被使用，若为0则可以被占用。

同步交换（atomic）由当个不可中断的指令对实现。

指令对：

• LDXR：取出锁值
• STXR：对临界区进行操作。

STXR由两个功能：

STXR X23, X9, [X20] -- Memory[X20] = X23 如果成功x9 = 0否则x9 = 1

1. 将存储地址写入X20
2. 将X9置为1或者0.

2.12翻译并启动程序

编译器：将高级语言编译为汇编语言

汇编器：可以识别并转换为功能等价的机器语言

目标文件（.o，.obj）包含的内容：

• 目标托文件
• 代码的
• 静态数据段
• 重定位信息
• 符号表 ——程序中出现的（符号和地址）对。
• 调试信息

连接器：将改变代码不需要重新编译所有的，只需要编译和汇编某一行在用连接器缝合。

工作的步骤：

• 将代码和数据块象征性的放入内存。
• 决定数据和指令标签的地址
• 修补内部和外部引用。

连接器可以生成可运行的文件，内容和目标文件差不多，但不包括未解决的引用。

加载器：

• 读取可执行文件头来确定代码段的地址空间
• 为代码和数据创建一个足够大的地址空间
• 将可执行文件的指令和数据复制到内存中
• 把主程序的参数复制到栈中
• 初始化处理器中的相关寄存器，将栈指针指向第一个空位置
• 条状到启动例程，该例程将参数复制到参数寄存器并且调用程序的main函数。