# ISA
電腦架構包含兩個主要元素：Instruction Set Architecture（ISA）和 Machine Organization。

## MIPS ISA
指令類別:
* Load/Store:
* 這類指令用於將數據 Load 到 register 中或將 register 中的數據Store到 memory 中。例如：lw（載入字）、sw（儲存字）。
* Computational:
* 這類指令執行算術和邏輯運算。包括加法、減法、乘法等。例如：add（加法）、sub（減法）。
* Jump and Branch:
* 用於控制流程的指令，包括無條件跳躍和有條件分支。例如：j（跳躍）、beq（分支等於）。
* loating Point:
* 這類指令用於執行浮點數運算。例如：add.s（浮點數加法）。
* Memory Management:
* 這些指令涉及 memory 的管理和保護。例如：tlbwi（將TLB入口寫入）。
* Special：
* 這類指令可能包含特殊功能，例如 OS 調用或其他系統級任務。例如：syscall（系統調用）。

### MIPS 算數

add $s0, $s1, $s2 # f = g + h

將 register $s1 和 $s2 中的值相加，並將計算結果存儲在 $s0 中。

* 這樣的每條指令是32 bits:
* 每條MIPS指令都是32 bits 的固定長度。
* 語法的嚴格性:
* MIPS指令的語法是嚴格的，每條指令包含一個 operator 和三個 operands。
* 為什麼保持嚴格規律性?
* 說明保持嚴格規律性的原因，即簡單性有助於實現和執行，提高性能，同時降低成本。

## MIPS register
* assembly language 不使用 variables，而是使用 register 作為 operands
* 操作是在這些 register 上進行的


* 32 個 register，每個 register 寬度為 32 bits
* 在MIPS體系結構中，32 bits 被稱為一個字
* 這32個通用 register 分別編號從0到31，可以通過編號來引用。
* 例如，$0 表示 register 0，$1 表示 register 1，以此類推，$31 表示 register 31。
* 除了可以使用編號引用外，MIPS還提供了通過名稱引用 register 的方式。
* 例如，$s0 到 $s7 通常用於表示C語言中的 variables
* 而 $t0 到 $t7 則是 temporary register，用於臨時存儲計算中的數據。
* HI和LO register 用於存儲乘法和除法的結果。
* PC（程序計數器）則用於存儲當前指令的地址，指示處理器應該執行的下一條指令。

## temporary register example
如何編譯以下的 C 語句：
`f = (g + h) - (i + j);`
使用temporary register $t0 和 $t1 作為中間變數。

add $t0, $s1, $s2  # t0 = g + h
add $t1, $s3, $s4  # t1 = i + j
sub $s0, $t0, $t1  # f = (g + h) - (i + j)

* add $t0, $s1, $s2：
* 把 $s1 和 $s2 中的值相加，結果存儲在 $t0 中。
* add $t1, $s3, $s4：
* 把 $s3 和 $s4 中的值相加，結果存儲在 $t1 中。
* sub $s0, $t0, $t1：
* 把 $t0 中的值減去 $t1 中的值，結果存儲在 $s0 中。
* 最後這一步計算了 (g + h) - (i + j)，最終的結果被存儲在 $s0 中，即變數 f 的值。

## Memory to Register
* MIPS 算術指令是在 register 上執行的，而不是直接在 memory 上。
* 為了在 register 和 memory 之間進行數據轉移，使用 lw（載入字）和 sw（儲存字）等數據傳輸指令。
* 在進行數據轉移時需要指定兩個重要的事物：
* register （0 - 31 號）
* memory address。
* 將 memory 視為一維數組( array )，使用指向 memory address 的 pointer 和相對於該 pointer 的 Offset（以 bits 為單位）。

#### 舉例來說：
`lw $t0, 12($s0)`
* operation name：lw 表示載入字(loar word)。
* 接收值的 register ：$t0 是接收載入值的register。
* offset（以 bits 為單位）：12 是相對於 $s0 的偏移量。
* 包含指向 memory 的 pointer 的 register ：$s0 包含指向 memory 的 pointer 。

`lw $t0, 12($s0) `的例子表示：
使用 $s0 中的指針，向後移動 12 個 bits ，然後從計算出的memory address 載入值到register $t0 中。

`g = h + A[8];`
* $s1:g
* $s2:h
* $s3:base address of A

以下是上述c語言換成組合語言的步驟
1. 計算訪問A[8]的offset
* A[8]的offset是 4 x 8 = 32 bits
2. 將A[8]加載到 register $t0中
* `lw $t0,32($s3) # $t0 gets A[8]`
3. 將 $t0 register 中的值加到 $s2 register 中的值（h）上，並將結果存儲在 $s1 register（g）中。：
* `add $s1, $s2, $t0 # $s1 = h+A[8]`