指令与汇编.

指令集规定软件可以要求什么；CPU 用电路实现这些约定。

机器指令用二进制表示加法、读写数据、比较和跳转等操作。汇编语言用助记符和寄存器名称表达这些操作，汇编器再把真实指令编码成机器码。汇编还可以提供伪指令，一条伪指令可能展开成多条机器指令。

这是便于理解的典型主线，实际工具链还包括链接、装载等步骤，编译器也可以直接生成目标代码。

ISA 与 CPU 实现

ISA（指令集架构）规定指令的可见行为，还包括寄存器、数据类型、编码、寻址和异常等规则。流水线、执行单元和缓存如何组织，属于实现层面。同一套 ISA 可以有不同的 CPU 实现。

从一个加法开始

add $t0, $t1, $t2    # $t0 ← $t1 + $t2

MIPS 的这种写法是目的在前、来源在后。计算时读取两个来源，结果覆盖目的寄存器。一个 C 变量在某段代码中使用哪个寄存器，由编译器安排。

MIPS 采用 load/store 结构：普通整数加法使用寄存器数据；内存数据通过专门的加载、存储指令读取和写入。这里说的是数据访问，CPU 还需要读取指令本身。

必要的发展史：CISC 与 RISC

CISC 的一个方向是增加指令功能，让单条指令承担更多工作，并兼顾已有程序的兼容性。对实际程序的观察推动了 RISC 思路：优先处理常用操作，强调规整格式、寄存器计算和 load/store 分工，以便高效实现。

它们是设计取向。现代实现相互吸收技术；实际性能还受 CPU 内部结构、内存访问和程序行为影响。本课采用的经典 MIPS 指令固定为 32 位，不能把这一条件推广到所有 RISC 架构与扩展。

一条指令需要说明操作、输入、结果位置，以及怎样继续执行。

操作码说明做什么，地址码描述操作对象。地址码可以指定寄存器、涉及内存地址，也可以直接携带常数。顺序执行时，下一条指令地址通常由 CPU 隐含推算；转移指令则提供改变执行位置的信息。

地址个数：统计显式指定的操作数字段

上表比较不同机器风格的教学语法；本课 MIPS 的普通寄存器加法采用三地址形式。零地址统计显式字段，参与运算的数据仍可以隐含存在。

显式字段少可以节省编码空间；字段多能更灵活地指定来源和去向。程序的总指令数与执行时间还取决于具体操作和实现。

字节、字与大小端

一个从地址 0x1000 开始存放的字占用 0x1000 至 0x1003。大端把最高有效字节放在低地址，小端把最低有效字节放在低地址；变化的是字节排列。

32 位编码空间有限。不同格式，把空间分配给不同的信息。

MIPS 有 32 个通用寄存器，指定一个需要 5 位，因为 2⁵ = 32。机器码存的是编号：$t0 = 8、$t3 = 11、$s1 = 17。

R 型：先认清角色，再放进字段

add $t0, $t3, $s1
# 汇编顺序：目的 rd、来源 rs、来源 rt
# 字段顺序：op、rs、rt、rd、shamt、funct

本例字段为 0 | 11 | 17 | 8 | 0 | 32。op 和 funct 共同确定运算：add 的 funct 是 32，sub 是 34，两者 op 都是 0。其他 R 型指令会按自己的语义使用这些字段。

I 型：同一个字段，作用随指令变化

本课的 addi、lw、sw 使用有符号 16 位立即数，范围是 −32768～32767，使用前按符号扩展。I 型字段怎样解释由具体指令规定，例如逻辑立即数指令有不同规则。

寄存器里的数与这个数所指向的内存内容，是两层不同的信息。

假设 R1 = 1000，从内存地址 1000 开始的字为 42，从地址 1004 开始的字为 7。下面用 内存[地址] 表示读取该地址处的一个字。

存储器间接寻址多一层取地址：若内存[800] = 1000、内存[1000] = 42，就先访问 800 取得地址 1000，再到 1000 取出数据 42。这种计数指的是取数据过程中的内存访问，未计取指令与缓存实现细节。

有效地址 EA：先算位置，再按指令读写

addi $t0, $s1, 4    # 计算一个数：$s1 + 4
lw   $t0, 4($s1)    # 计算地址后，读取该处的一个字
sw   $t0, 4($s1)    # 计算地址后，把 $t0 写入该处

加载和存储可以使用相同的地址算法，数据流向由操作码决定。lw 读取后保留内存原值，sw 写入后保留源寄存器的值。

数组下标，要换成字节偏移

本课每个字占 4 字节，所以 A[12] 相对数组起点的偏移量为 12 × 4 = 48 字节。变址寻址常用于改变索引、遍历数组；复合寻址可以组合“基址 + 索引 × 比例 + 固定偏移”。哪些项能放进一条指令由 ISA 决定，MIPS 的 lw/sw 直接提供“寄存器基址 + 常数偏移”。

把一行 C 代码拆开

# $s0 保存 x；$s1 保存数组 A 的基地址
# C：A[100] = x - A[12];
lw  $t0, 48($s1)       # 取 A[12]
sub $t0, $s0, $t0      # 计算差值
sw  $t0, 400($s1)      # 写回 A[100]

数据寻址决定去哪里取数；指令寻址决定程序到哪里继续。

以下统一把 PC 定义为当前分支或跳转指令的地址。本课指令长 4 字节，顺序位置是 PC + 4。例如 0x1000 后面的指令依次位于 0x1004、0x1008、0x100C。

beq：比较寄存器，按相对距离分支

beq $t0, $t1, TARGET    # 相等时转移到 TARGET

TARGET 是指令位置的标签，汇编器会计算它对应的偏移字段。beq 属于 I 型，两个寄存器都提供比较数据。

例如当前地址 0x1000、目标 0x1010，字段应为 (0x1010 − 0x1004) ÷ 4 = 3。偏移量为负时能回到前面的指令，这为循环提供了基础。16 位有符号字段对应相对 PC+4 约 ±128 KiB 的范围，精确字节位移为 −131072～131068。

j：拼接出跳转目标

J 型的 26 位目标字段用于构造地址。指令地址按 4 字节对齐，因此最低 2 位为 00，再从 PC+4 取最高 4 位，拼成 32 位地址。

这种方式称为伪直接寻址，可以在 PC+4 所在的 256 MiB 对齐区域内选择目标。这里的运算是拼接；分支公式中的运算则是相加。

先独立推演，再检查答案。做错的地方，就是最值得回看的那个步骤。

综合例子中，$s1 = 1000（十进制数组基址），$s0 = 20（x 的值），A[2] = 7，A[5] = 99。每个元素占 4 字节，左侧指令地址为十六进制。

0x1000:       lw  $t0, 8($s1)
0x1004:       beq $s0, $t0, END
0x1008:       nop
0x100C:       sub $t1, $s0, $t0
0x1010:       sw  $t1, 20($s1)
0x1014: END:  nop

也可以回到第一个演示，选择“带条件的数组写入”逐条核对。该演示支持延迟槽，并可修改 x 与 A[2] 的值。

if (x != A[2]) {
    A[5] = x - A[2];
}