# 計算機組織_劉一宇

## Ch2. Instrution Set Architecture

## MIPS 組合語言

## 前言

::: info
組合語言 v.s. 處理器指令集
組合語言：大集合
指令集：小集合
需要 Assembler (組譯器) 把組合語言轉換成處理器可以執行的指令
:::

- 為什麼會這樣？
- 有一些組語會轉成 2~3 個指令
- 如：le, ge... => xor, cmp, jump...
- 為什麼要這樣？
- 增加可讀性

### Design priciple
- priciple 1: simplicity favors regularity
- 指令越簡單，對於硬體設計越好
- priciple 2: Smaller is faster
- priciple 3: Make the common case fast
- priciple 4: Good design demands good ompromises
- 好的設計是需要折衷的

## Outline

- Operands
- Register
- Memory, data transfer
- Immediate (Constants)
- Signed and Unsigned numbers
- 老師要我們自己去回憶
- Represnting instruction
- 要怎麼呈現、要怎麼擺放
- Field
- Operations
- Logical
- Decision making and branches
- Supporting procedures in hardware
- procedures call (function call)
- 要怎麼做 recursion???
- 程式整合 (使用習慣 convension)
- Addressing
- Synchronization
- 多處理器間同步議題
- 作業系統課程
- Compile -> Assembly -> Assembler
- System software
- 不同指令集比較
- Arm and x86

## 開始

### Instruction categories
- Load/Store
- Computation

### Instruction Formats
- r format
- i format
- j format

### Oprends

#### Add

add $s0 $s1 $s2     # s0 = s1 + s2

- $s0: destination
- $s1: source 1
- $s2: source 2

### Rigester
- 通用暫存器
- $r0 - $r31
- ![[Pasted image 20230307112922.png|500]]
- PC 指到下一個指令
- HI
- LO

> 為什麼暫存器 32 個bits?
> design priciple 2: Smaller is faster

- 16~23: $s0 ~ $s7
- 很像 C variable，因為有 scope 的概念

### Memory
一個 word 32 bits

- lw : load word
- sw : save word

#### 讀取記憶體位置

lw $t0, 8($s0)

$s0 是一個連續記憶體的位址起點(因為記憶體位址為 32bits，放進暫存器剛剛好)
前面的 8 是 offset，必須是常數(不可以是變數)

lw 則是把 $s0 + 8 的位址放進 $t0

$t0 = MEM[$s0 + 12]

#### 儲存記憶體位址

sw $t0, 12($s0)

MEM[$s0 + 12] = $t0

## Signed
### 2's complement sign extension

把 3 bits 擴充成 4 bits
只要將空的位置填補上 3 bits 的最高位元

## Representing Instructions

如何把組合語言轉成 01 的機器碼呢？
把指令切成不同欄位，放入資訊

- R-format: For Register
- I-format: For immediate
- J-format: For jump

> RISC-V 的 Instruction type 切成了六種，切得更細，但變得更簡單

### R-format

- opcode 6bits：用於指定指令類型、對於所有 R 型指令該值均為 0，用 funct 來精確指定指令類型
- Rs (Source Register) 5bits：指定第一個來源操作數的暫存器編號
- Rt (Target Register) 5bits：指定目的操作數的暫存器編號
- Rd (Destination Register) 5bits：指定目的地的暫存器編號
- shatmt 5bits: 拿來做 shift 表示位移的位數
- funct 6bits

> 為什麼要設定 opcode 都是 0，卻用 function 去定義？
> 為什麼不要把 opcode 跟 function 合在一起？

### I-format

I 型指令基本上與 R 型相同， opcode 仍然用於指定指令的操作類型
但這裡沒有 funct，所以不同的 I 型指令其 opcode 是不同的

- Rs (Source Register) 5bits：指定第一個來源操作數的暫存器編號
- Rt (Target Register) 5bits：指定來源操作數的暫存器編號或目的操作數的暫存器編號
- immediate 16bits：可以表示 2^16 的不同數值 (signed)

> 如果我們存取的常數比 16bits 還大，應該怎麼辦？
> Mars 聰明的會把指令拆成兩個 : )

### Stored-Program Concept

現在的電腦系統有一個大 concept
不管是指令或是資料都存在一起，因此要怎麼做處理要決定於程式設計師(資料型態等)
但同樣會有一個問題是像 buffer overflow 這種沒有做 bonudry check 造成的問題

## Operations

### Bitwise

#### Shift
比較特別的是 sra，因為 shift 本身是除法，但如果我們把一個負數往右移 (111110000) 會變成正數(開頭填0)，因此有了一個 sra，會將負數填入 1，正數填 0

### Decision making and branches

電腦和計算機最大的差別，就是我們可以有不同的決策