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第三章 電腦的語言:指令 計算機組織與設計 蔡昌隆 學貫行銷股份有限公司 學習目標 •瞭解高階語言和低階語言的區別 •瞭解控制電腦硬體實際運作的機器語言 •瞭解電腦硬體如何執行運算 •瞭解組合語言(MIPS)的定址法和程式設 計 前 言 • 電腦溝通的語言，其單字即為指令，而字彙就是 指令集，將很多指令集彙集編成一個可以命令電 腦去執行並達成計畫目標的就叫做程式。 • 主程式（main program）：顧名思義即為最主要 的程式或者說是程式的主體部分，為一個完整可 以執行的指令集。 • 副程式或副常式（subroutine）：涵蓋在主程式 中的一小部分獨立的迴圈或疊代處理的程式或是 獨立於主程式之外，可透過主程式的程序呼叫去 執行主程式所交付的任務。 •一般程式語言主要區分為高階程式語言和低階程 式語言(包括組合語言與機器語言等)，這些語言 都是我們和電腦溝通所使用的工具，它們的功能 屬性各有不同，而使用高階語言來撰寫程式的好 處是可以避免使用標籤來執行跳躍的動作，因為 那會增加程式預測所需付出的作業時脈週期。 程式語言 程式語言的分類 類 別 功 能 屬 性 執 行 效 能 優 高階語言 須經轉換成低階語言、 機器語言方能交由微處 理器執行的語言；如應 用程式軟體或C++、 Fortran和Java等 低階語言 屬於和機器硬體溝通的 語言 組合語言 可被轉換成機器可以執 行的二進位的符號語言， 執行速度快 如MIPS或Assembly 機器語言 直接與微處理溝通並執 行實際工作的語言 執行速度相對 較慢 執行速度快 執行速度最快 點 缺 點 程式發展與修改快； 容易閱讀和維護； 占記憶體 可攜性高；試窗系 空間較大 統互動性良好 不易閱讀和維護 略占記憶 體空間 可獲得儲存空間和 占記憶體 執行時間上的效益。 空間較小 由系統程式直接轉 換語言，不須維護 程式語言的發展 • 真空管時期(1946~1954年期間)：為美軍委託賓 州大學研成ENIAC計算機後所使用的語言，含機 器語言和組合語言。 • 電晶體時期(1955~1964年期間)：為因應美國 AT&T貝爾實驗室(Bell Laboratory)發明電晶體 後，新一代使用電晶體的電腦問市後所使用的程 式語言含COBOL、LISP和FORTRAN等。 •積體電路(IC，Integrated Circuit)時期 (1965~1974年期間)：為因應德州儀器開發出積體 電路後，IBM S/360等電腦所使用的程式語言，以 BASIC為主。 •超大型積體電路(VLSI，Very Large Scale Integrated Circuit)時期(1975迄今)：在Intel 公司推出4004微處理器以後所使用的程式語言， 含PL/1、PASCAL、C、MIPS、Ada、C++和Java等等。 •未來程式語言的發展主要朝向問題導向和程序導 向，應屬結合平行處理和人工智慧的產品。 • 雖然我們使用很多的多媒體或文書編譯軟體，其 實它們都是透過高階程式語言或低階程式語言所 開發出來的，透過這些方便的介面，讓我們駕馭 電腦去完成任務更顯得輕鬆方便又有效率。 • 在計算機組織系統中比較重要而經常探討的便是 MIPS組合語言(含MIPS-32和MIPS-64)，它是1980 年代的產品，目前有超過上億的處理器使用MIPS 組合語言。 硬體運算元 •電腦中數值的運算都是透過邏輯電路來執行計算 的，它會將你所輸入的資料放到暫存器裡面，再 把它輸入算術邏輯運算單元去做處理，最後送出 答案給你，其中暫存器的大小會直接的影響到你 所能計算的數值的最大或最小值，而暫存器的數 量多寡則會影響到運算的效率，然而並不是越多 的暫存器就會執行越快，因為過多的暫存器會增 長時脈週期的時間，如此一來反而降低執行效能， 一般電腦的暫存器多為32個。 •電腦亦據此以32位元或64位元為基做計算，而計 算的基本單位通常為字組(word)，即1個字組為32 位元，而MIPS組合語言系統對字組有定位排列的 限制（alignment restriction），所以程式執行 所使用的暫存器都必須使用4的倍數當起始的位址。 每當執行一個指令，程式計數器便會累加1，然後 擷取下一行的指令，而下一行的指令其對應儲存 在指令記憶體中的位址便是按4的倍數排列（如下 圖），這即是MIPS系統的對應規則。 硬體運算元 暫存器 高位址 4的倍數 資料 8 資料 4 資料 低位址0 • Intel公司最初所推出的8位元處理器，其資料暫存器僅有 A、B、C和D等四個；其後的16位元處理器的暫存器定名為 AX、BX、CX和DX，再透過H（high）和L（low）來表示屬 於高位元或低位元，例如AH或AL。隨著32位元處理器的問 市，IA-32系統則使用EAX、EBX、ECX和EDX來代表暫存器， 其前面加上的“E”表示延伸或擴展 高位元31 AX 0低位元 16 EAX AH AL ECX CH CL EDX DH DL EBX BH BL 副程式的執行步驟 • • • • • • 參數需儲存在副程式可以讀取或儲存的位址。 由副程式控制執行工作。 副程式擷（讀）取所需的儲存資料。 執行運算。 運算結果回傳給呼叫副程式可以儲存的位址。 副程式將控制權交回給主程式。 MIPS暫存器 •MIPS系統中執行運算的暫存器有32個 •編號0：$zero（零值暫存器） •編號1：$at（組譯器使用的暫存器） •編號2~3：$v0~$v1(回傳值暫存器) •編號4~7：$a0~$a3(參數暫存器，argument pointer) •編號8~15：$t0~$t7(暫時暫存器，temporary pointer) MIPS暫存器 • 編號16~23：$s0~$s7(儲存暫存器，saved pointer) • 編號24~25：$t8~$t9(暫時暫存器) • 編號26~27：$k0~$k1(作業系統使用的暫存器) • 編號28：$gp(全域性指標暫存器，global pointer)：為儲存指引靜態資料區塊位址的暫存 器。 • 編號29：$sp(堆疊指標暫存器，stack pointer) • 編號30：$fp(框指標暫存器，frame pointer) ： 為儲存指引到程序框第一個字組位址的暫存器。 • 編號31：$ra(回傳位址暫存器，return address) ：為儲存指引返回原來位址的暫存器。 • $s0~$s7和$ra屬於堆疊指標位址以上的記憶體， 在程序呼叫時，被呼叫者”必須”暫時儲存這些 暫存器的資料；而$t0~$t9、$a0~$a3和$v0~$v1 則為堆疊指標位址以下的記憶體，在程序呼叫時， 被呼叫者”不需”暫時儲存這些暫存器的資料 • 例題：撰寫MIPS程式將堆疊中空出三個暫存器來儲存資料 • 說明： 步驟一：空出堆疊空間，可以使用立即加法指令 addi $sp, $sp, -12 空出三個儲存空間 等於是撥出3＊4＝12個位址 所以將堆疊指標-12 步驟二：將空出的空間儲存資料 sw $s0, $0（＄sp） 將$s0儲存到堆疊中 sw $s1, $4（＄sp） 將$s1儲存到堆疊中 sw $s2, $8（＄sp） 將$s2儲存到堆疊中 • 執行程序呼叫的時候，會使用堆疊指標來標定堆疊資料的 起始位址，而程序結構指標或框架指標(frame pointer) 則指引到程序或副程式的第一個字組 $fp $sp $fp 程序呼叫 前的指標 指引情形 因尚未開 始堆疊資 料，所以 $sp指到 堆疊最上 面 $fp $sp 參數 暫存器 回傳位址 暫存器 儲存 暫存器 區隔性的 $sp 陣列與結構 堆疊指標 程序呼叫時的 指標指引情形 完成程序 呼叫後， 指標會返 回原來的 指引位置 • • • 位址:好比家裡的地址，可以清楚的指引郵差 送信到該地址；而該位址裡所存放的資料，就 好比家裡的設備配備等等。 呼叫者(caller)：啟動程序或副程式並給予相 關的參數交給被呼叫者去執行。 被呼叫者(callee)：根據呼叫者提供的資訊 (如指令和參數)來執行相關作業，當作業執行 完畢後會立即將控制權交還給呼叫者。 • • 程式計數器(PC，program counter)：用來標定 執行中的指令是儲存在指令暫存器的那一個位址， 以便讀取該位址相應的指令碼來執行後續的工作。 MIPS組合語言系統只提供$a0~$a3四個暫存器給 參數使用，若是超過四個以上的參數時，超過的 參數部分會被放在程序框指標上方的堆疊；通常 程式執行時，程序會預測前四個參數是放在 $a0~$a3並自動擷取，而其他的參數則由$fp指標 來指出它們在記憶體中所對應的位址。 記憶體最下層的部分是保留區塊，依序往上為儲存程式機器 碼的本文區塊(text segment)，再往上為放置靜態變數和常 數部分的靜態資料的儲存區塊(static data segment)，最 上層的部分則市儲存動態變數的動態資料區塊 記憶體 指標$sp 堆疊 位址 7fff fffc 動態資料區塊 指標$gp 靜態資料區塊 程式碼 本文區塊 程式計數$pc 起始 保留區塊 1000 8000 1000 0000 0040 0000 0000 0000 •例題1：使用暫存器來編撰C程式為x=i+j; •說明： 步驟一：先指定暫存器給變數 將i存在來源暫存器1=$s1 j存在來源暫存器2=$s2 運算結果值x儲存在目的地暫存器=$t0 步驟二：編撰MIPS程式 add $t0, $s1, $s2 •例題2：使用暫存器來編撰C程式為x=(i+j)-k; •說明： 步驟一：先指定暫存器給變數 將i存在暫存器$s1 j存在暫存器$s2 k存在暫存器$s3 運算的結果值x儲存在目的地暫存器=$t0 步驟二：編撰MIPS程式 add $t0, $s1, $s2 完成i+j sub $t0, $t0, $s3 完成i+j-k • 例題3：假設X陣列的基底位址為$s1，變數Y對應暫存器 $t0，使用暫存器來編撰C程式為X〔100〕= X〔100〕+ Y; • 說明： 步驟一：先指定暫存器給變數 X〔100〕的值存在暫存器$s1，位址為400 運算後的和存在暫存器$t1 步驟二：編撰MIPS程式 lw $t1, 400（$s1） 暫存器$t1存放X〔1〕的值 add $t1, $t0, $t1 X〔100〕+ Y sw $t1, 400（$s1） X〔100〕+ Y的值儲存到X 〔100〕 ※註：X〔100〕的位址為4*100=400。 • 例題6：撰寫常數10和暫存器$s2相加的MIPS程式 • 說明： 1. 解法一：使用立即加法，格式如下 程式碼為 addi $s2, $s2, 4 $s2=$s2+4; 2. 解法二：使用加法 lw $t0, 4 將常數載入$t0暫存器 add $s2, $s2, $t0 執行$s2+4 程式 執行碼 來源暫存 器rs 來源暫存 器rt 6欄位 5欄位 5欄位 常數 或位址 16欄位 電腦硬體的運算 • 電腦運算不外乎加、減、乘、除和資料的交換應 用，本節將以例題說明的方式來闡述電腦中硬體 的運算。 • 以MIPS執行運算為例，其指令相對應的欄位內容 概略如下： 程式 執行碼 來源暫存 器rs 來源暫存 器rt 目的地暫 存器 6欄位 5欄位 5欄位 5欄位 位移量 5欄位 函數 功能 6欄位 • 例題1：將MIPS指令add $t0, $s1, $s2轉譯成機器碼 • 說明： 1. 步驟一：$t0=8（目的地暫存器） $s1=17（來源暫存器1) $s2=18（來源暫存器2） 將暫存器內儲存的值以十進位數值表示如下： 0 17 18 8 0 32 2.步驟二：轉換成二進位的機器碼如下： 000000 10001 10010 01000 00000 3.步驟三：轉換成十六進位後的數值為 000000100011001001000000001000002=0232402016 100000 • 例題2：請問機器碼0253982016的意義 • 說明： 1. 步驟一：將16進位機器碼02539820轉換成2進位 轉換後的數值為 000000100101001110001000001000002 2. 步驟二：依MIPS指令格式的欄位劃分32位元的2 進位數值如下： 程式碼 來源暫存器1 來源暫存器1 目的地暫存器 位移量 函式 000000 10010 10011 10001 00000 100000 18=$s2 19=$s3 17=$s1 所以轉換後的MIPS程式碼為 add ＄s1, ＄s2, ＄s3 •資料交換為程式撰寫中常用的一部分 •C程式語言中，我們常用的資料交換程式內容概下： Temp ＝ X; X ＝ Y; Y ＝ Temp; 如此即完成X和Y的資料交換。 •例題3：以MIPS語言撰寫暫存器中資料的交換 •說明：假設X存在暫存器＄s0中，而Y存在暫存器 ＄s1 將X和Y的資料交換，程式如下： lw ＄t0, X 將X存到暫時的暫存器＄t0 sw ＄s0, Y 將Y存到＄s0 sw ＄s1, ＄t0 將X由＄t0轉存到＄s1完成資 料交換 •組合語言： move ＄t0, ＄s0 將X存到暫時的暫存器＄t0 move ＄s0, ＄s1 將Y存到＄s0 move ＄s1, ＄t0 將X由＄t0轉存到＄s1 算術邏輯單元控制器 •通常算術邏輯單 元（ALU）的運 算會由一個控制 器來主導其執行 內容，該控制器 有4條訊號線， 其控制算術邏輯 單元的參照表如 右: 訊號線功能參照表 控制器 4條訊號線的內容 算術邏輯單元 執行功能 0000 及運算（and） 0001 或運算（or） 0010 加法（add） 0110 減法（sub） 0111 小於時設定（set on less than） 1100 反或運算（nor） MIPS組合語言 • 語言架構、邏輯運算、決策指令:將C程式語言轉 譯成MIPS組合語言的主要工作是由編譯器所負責 的，按MIPS-32指令集架構（ISA；Instruction Set Architecture）所設計的指令都是以32位元 模式執行 • 處理暫存器： 1. 32個32位元的一般用途暫存器(GPRs，general propose register)，其中R0設定永遠為0。 2. 16個雙倍精準度和32個單倍精準度的浮點數用途 暫存器(FPRs，floating-point propose register)。 3. 浮點狀態暫存器支援比較和例外功能。 4. 此外尚有其他特殊用途的暫存器。 • 資料型態：包含有8位元組、16位元半字元、32 位元整數字元、32位元單倍精準度浮點數、64 位元雙倍精準度浮點數。 • 讀取和儲存型式的指令集： 1. 資料位址包含立即和索引2種模式。 2. 分節(跳躍)位址包含程式計數相對和暫存器非 直接對應模式。 3. 陣列位元組資料載入和儲存的位址表示法 MIPS組合語言的基本格式 • 算數邏輯運算(ALU) 程式 執行碼 6欄位 來源暫 存器rs 5欄位 來源暫 存器rt 5欄位 目的地 暫存器 5欄位 函數 功能 5欄位 6欄位 0 • 算數邏輯立即運算(ALUi) 程式 執行碼 來源暫 存器rs 來源暫 存器rt 6欄位 5欄位 5欄位 立即 immediate 16欄位 • 記憶體(Mem)的操作 程式 執行碼 來源暫 存器rs 來源暫 存器rt 6欄位 5欄位 5欄位 差量 displaceme nt 16欄位 • 條件式的跳躍(beqz和bnez) 程式 執行碼 來源暫 存器rs 6欄位 5欄位 補償 offset 5欄位 16欄位 • 非條件式的非直接跳躍(jr和jalr) 程式 執行碼 來源暫 存器rs 6欄位 5欄位 5欄位 16欄位 • 非條件式的絕對跳躍(j和jal) 程式 執行碼 6欄位 補償 offset 26欄位 • MIPS組合語言程式執行時的五個工作程序 1. 擷取（讀）程式碼(指令)。 2. 解碼（瞭解指令所要執行的工作及要讀取的暫 存器所儲存的資料）。 3. 邏輯運算（交給ALU單元執行運算工作）。 4. 記憶體作業（可選擇）。 5. 寫回（write back）並計算下一個指令的位址。 MIPS組合語言常用指令 • 1. 2. 3. 4. 5. 資料的讀取(載入)指令： 讀取位元組lb(load byte) 讀取無號的位元組lbu(load byte unsigned) 讀取半字組lh(load half) 讀取字元組lw (load word) 立即讀取上半部的高位元資料lui •例題1：lw ＄s1, ＄s2 •說明：將暫存器＄s2位址中所儲存的資料放到暫 存器＄s1位址上。 •例題2：lw ＄s1,10 •說明：將常數值10放到暫存器＄s1位址上。 • 1. 2. 3. 4. 資料的儲存指令 儲存位元組sb(save byte) 儲存無號的位元組sbu(save byte unsigned) 儲存半字組sh(save half) 儲存字元組sw (save word) •例題1：sw ＄s1, ＄s2 •說明：將暫存器＄s2位址的資料儲存到暫存器＄ s1位址中。 •例題2：sw ＄s1, 10 •說明：將常數值10儲存至暫存器＄s1位址中。 加減乘除的計算 • 加法的計算：指令add ＄s1, ＄s2, ＄s3 • 立即加法的計算：指令addi ＄s1, ＄s2, constant（常數值） • 例題1：add ＄s1, ＄s2, ＄s3 • 說明：將暫存器＄s2位址所儲存的資料和暫存器 ＄s3位址所儲存的資料相加後，儲存到暫存器＄ s1的位址上。 • 例題2：addi ＄s1, ＄s2, 10 • 說明：將暫存器＄s2位址所儲存的資料和常數值 10相加後，儲存到暫存器＄s1的位址上。 •減法計算：指令sub ＄s1, ＄s2, ＄s3 •例題1：sub ＄s1, ＄s2, ＄s3 •說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值和暫存器 ＄s3位址所儲存的數值相減（＄s2-＄s3）後，儲 存到暫存器＄s1的位址上。 •例題2：暫存器＄s2位址所儲存的資料減去常數值 10後，儲存到暫存器＄s1的位址上 •說明： sw ＄t0, 10 將常數10存到暫時暫存器＄t0； 也可以使用lw ＄t0, 10的程式寫法 sub ＄s1, ＄s2, ＄t0 ＄s2暫存器所儲存的 數值減去＄t0暫存器所儲存的數值（常數10）， 所得的差儲存到＄s1暫存器 •因為C和Java程式語言不常使用負值的常數來執行 運算，因需求不多，所以MIPS組合語言中沒有立 即減法的指令設計；而若要處理負值的常數計算， 可使用立即定址法的指令格式來撰寫程式，只需 將負值的常數放在立即值的欄位即可 程式 執行碼 來源暫存器 rs 來源暫存器 rt 6欄位 5欄位 5欄位 立即欄位 （負的常數值） 16欄位 •乘法計算：指令mult ＄s1, ＄s2, ＄s3 •例題1：mult ＄s1, ＄s2, ＄s3 •說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值和暫存器 ＄s3位址所儲存的數值資料相乘（＄s2＊＄s3） 後，儲存到暫存器＄s1的位址上。 •例題2：將暫存器＄s2位址所儲存的數值乘上常數 值10後，儲存到暫存器＄s1的位址上 •說明： sw ＄t0, 10 將常數10存到暫時暫存器＄t0 mult ＄s1, ＄s2, ＄t0 ＄s2暫存器所儲存的 數值乘上＄t0暫存器所儲存的數值（常數10）， 所得的積儲存到＄s1暫存器 •除法計算：指令div ＄s1, ＄s2, ＄s3 •例題1：div ＄s1, ＄s2, ＄s3 •說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值除以暫存 器＄s3位址所儲存的數值（＄s2/＄s3）後，所得 到的商數儲存到暫存器＄s1的位址上。 •例題2：將暫存器＄s2位址所儲存的資料除以常數 值5後所得到的商數儲存到暫存器＄s1的位址上 •說明： sw ＄t0, 10 將常數10存到暫時暫存器＄t0 div ＄s1, ＄s2, ＄t0 ＄s2暫存器所儲存的 數值除以＄t0暫存器所儲存的數值（常數5），所 得的商數儲存到＄s1暫存器 • 數值的比較 1.小於時設定slt(set on less than) 2.小於時立即slti(set on less than) 3.無號值小於時sltu 4.無號值小於時立即sltiu • 例題1：slti ＄s1, ＄s2, 8 • 說明：假如暫存器＄s2位址所儲存的數值小於常數8 時，設定暫存器＄s1位址所儲存的數值為1，若是大 於或等於常數8時則將暫存器＄s1位址所儲存的數值 為0。 本例子相當於C程式 if ( $s2 < 10 ) $s1=1; else $s1=0 •例題2：slt ＄s1, ＄s2, ＄s3 •說明：假如暫存器＄s2位址所儲存的數值小於暫 存器＄s3位址所儲存的數值時，設定暫存器＄s1 位址所儲存的數值為1，若是大於或等於常數10時 則將暫存器＄s1位址所儲存的數值為0。 本例子相當於C程式 if （＄s2 < ＄s3 ） ＄s1=1; else ＄s1=0; • 1. 2. • • • • 資料的移位(shift) 資料向左移位sll（shift left logic）指令（亦即C或 Java程式中的”<<”運算） 資料向右移位srl（shift right logic）指令（亦即C 或Java程式中的”>>”運算） 例題1：sll ＄s1, ＄s2, 8 說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值向左移位8個位 元後所得的新值儲存到暫存器＄s2的位址上。 例題2：srl ＄s1, ＄s2, 6 說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值向右移位6個位 元後所得的新值儲存到暫存器＄s2的位址上。 • 1. 2. 3. 4. 5. 邏輯運算 或的運算or指令 及的運算and指令 反的運算not指令 非或的運算nor （not or）指令 立即執行及的運算andi （and immediate）指 令 6. 立即執行或的運算ori (or immediate)指令 •例題1：or ＄s1, ＄s2, ＄s3 （亦即＄s1 = ＄ s2 | ＄s3） •說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值和暫存器 ＄s3位址所儲存的數值執行“或”的運算後所得 到的新值儲存到暫存器＄s1的位址上。 •例題2：and ＄s1, ＄s2, ＄s3 （亦即＄s1 = ＄s2 ＆ ＄s3） •說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值和暫存器 ＄s3位址所儲存的數值執行“及”的運算後所得 到的新值儲存到暫存器＄s1的位址上。 •例題3：nor ＄s1, ＄s2, ＄s3 （亦即＄s1 = ～ （＄s2 | ＄s3）） •說明：將暫存器＄s2位址所儲存的數值和暫存器 ＄s3位址所儲存的數值執行“非或”的運算後所 得到的新值儲存到暫存器＄s1的位址上。 • 條件式控制或決策指令:如同C++程式中所使用 的 goto或if-then-elseif等的程式敘述： 1. 等於時跳躍到分節（或分支）標籤beq（branch if equal）指令 2. 等於零時跳躍到分節標籤beqz（branch if equal zero）指令 3. 不等於時跳躍到分支標籤bne（branch if not equal）指令 4. 不等於零時跳躍到分支標籤bnez（branch if not equal zero）指令 •例題1：be ＄s1, ＄s2, loop •說明：當暫存器＄s1位址所儲存的數值和暫存器 ＄s2位址所儲存的數值相等時跳躍到loop執行。 •例題2：bne ＄s1, ＄s2,loop •說明：當暫存器＄s1位址所儲存的數值和暫存器 ＄s2位址所儲存的數值不相等時跳躍到loop執行。 • 1. 2. 3. • • • • • • 無條件式控制或決策指令 跳躍j（jump）指令—相當於C程式中goto的指令 依據暫存器跳躍jr （jump register）指令 跳躍並且連結jal （jump and link）指令 例題1：j loop 說明：跳躍到標籤為loop的指令位置執行後續的 程式。 例題2：jr ＄ra 說明：跳躍到回傳暫存器所儲存的位址。 例題3：jal swap 說明：跳躍到swap程序，執行資料交換處理作業 的副程式。 • 例題4：C程式內容為if （i==j） X＝Y+Z； else X＝Y-Z； 請以MIPS程式語言改寫上述程式內容 • 說明： 步驟一：畫出流程圖 yes X=Y+Z If i==j no X=Y-Z 步驟二：編撰程式（可以使用beq或bne的方式來執行）將 C程式中的五個變數對應到五個暫存器 i對應＄s0、j對應＄s1、X對應＄s2、Y對應＄s3、Z對 應＄s4 解法一：使用beq撰寫程式 beq ＄s0, ＄s1, else i＝j時跳躍到else i≠j時執行下一行指令 sub ＄s2, ＄s3, ＄s4 X=Y-Z j exit jump跳躍到exit else： add ＄s2, ＄s3, ＄s4 X=Y+Z exit 結束程式 解法二：使用bne撰寫程式 bne ＄s0, ＄s1, else i≠j時跳躍到else i＝j時執行下一行指令 add ＄s2, ＄s3, ＄s4 X=Y+Z j exit jump跳躍到exit else： sub ＄s2, ＄s3, ＄s4 X=Y-Z exit 結束程式 迴圈控制 • C程式語言中經常會使用迴圈來執行副程式或程序的呼叫 作業，然MIPS組合語言中並無相關的指令，在MIPS程式中 主賴跳躍的指令來完成迴圈的運算。 • 例題1：C程式內容 while （X〔i〕==j） i＋＝1； 請以MIPS程式語言改寫上 述程式內容 • 說明：步驟一：畫出流程圖 I＝1 yes while X[i]= =j no i=i+1 • 步驟二：編撰程式（可以使用beq或bne的方式來執行） 將C程式中的變數給予相對應的暫存器 X陣列的基底為暫存器＄s0、i對應＄s1、j對應＄s2 loop： sll ＄t0, ＄s1, 2 為表示X陣列第i個數值 的位址，使用向左位移2 個位元（等於乘4）來計 算，＄t0＝4＊i add ＄t0, ＄t0, ＄s0 將X〔i〕的位址存到＄t0 lw ＄t1, 0（＄t0） ＄t1＝X〔i〕 bne ＄t1, ＄s2, exit 當X〔i〕＝k跳躍到exit addi ＄s1, ＄s1, 1 i＝i+1 exit 結束程式 • 浮點運算指令 1. 加法：add.s/add.d 2. 減法：sub.s/sub.d 3. 乘法：mul.s/mul.d 4. 除法：div.s/div.d 5. 條件跳躍： (1)bclt(成立狀況下跳躍) (2)bclf(不成立狀況下跳躍) • 在32位元的微處理器中，有關IA-32的算數邏輯 運算大概區分如下: 1. 資料搬移：常用的指令有move、pop和push，另 有字串的搬移(movw、movs、movsl 、les、lods、 cbw)和字串的比較。 2. 算數邏輯運算：指令包括有比較（cmp）、測試 （test）、邏輯運算（or、xor、）、移位（shl 左移、shr右移、rcr右移並進位）整數和十進位 的計算(add、sub)。 3. 控制（迴圈loop或決策）指令：包含有“條件式” 跳躍（jnz、jz）和“無條件式”的跳躍（jmp） 以及程序呼叫（call）和返回（ret）程式主體 的控制指令等等。 MIPS定址法 IA-32的定址法 定址模式 暫存器定址法 定址函式 EA＝暫存器 組譯的程式語法 reg 立即定址法 運算元＝數值 value 暫存器間接 定址法 EA＝〔暫存器〕 〔reg〕 直接定址法 EA＝位置 location 具差量之基底 定址法 EA＝〔暫存器〕＋差量 具差量之索引 定址法 EA＝〔暫存器〕＊索引＋差量 具索引之基底 定址法 EA＝〔暫存器1〕＋〔暫存器2〕＊索引 〔reg1＋reg2＊index〕 具索引與差量之基 底定址法 EA＝〔暫存器1〕＋〔暫存器2〕＊索引 ＋差量 〔reg1＋reg2＊index＋ displacement〕 〔reg＋displacement〕 〔reg＊index＋ displacement〕 • 暫存器定址法：使用暫存器來當作運算元的指令 格式 程式碼 rs rt rd … funct 暫存器 • 例如： add ＄s0, ＄s1, ＄s2 • 說明：表示該程式要執行的內容是：將暫存器＄ s1位址上的數值資料與＄s2位址上的數值資料相 加後所得到的和（值），儲存到＄s0位址上。其 中，add即是opcode，＄s1即是rs，＄s2即是rt， ＄s0即是rd。 • 基底（base）或差量（displacement）定址法： 運算元儲存在記憶體中，將暫存器和指令中的常 數相加後所得的值（和），即為所要計算的位址 程式碼 rs rt Displacement（差量） • 例如：M[（rs）+displacement] • 說明：記憶體M要記錄的資料是存在位址rs加上 差量的和的位址。 • 立即定址法：運算元即是指令當中的常數 程式碼 rs rt immediate（立即） • 程式計數器（PC；program counter）相對定址 法：將程式計數器和指令中的常數相加所得的 “和”，即為所要計算的位址 程式碼 rs rt 程式 計數 位址 記憶體 • 虛擬直接（pseudo-direct）定址法： 將指令欄位中的26個位元和程式計數器 中的高位元結合後所得到的值即所要跳 躍的位址 程式碼 位址 程式 計數 記憶體 程式編譯與執行（最佳化） • 處理高階程式語言最佳化的關鍵在編譯器，亦即 編譯器必須將原始程式碼正確的轉換成執行速度 較快的機器語言程式碼 • 高階的部分可以採取程序整合—即將程序置入和 迴圈轉換整合考量的處理，是以程序主體來取代 程序呼叫的執行方式 1. 程序置入(procedure inlining)：亦即使用函式 的主體來取代函式的呼叫以及利用程式或副程式 的參數來取代呼叫者的引數。 2. 迴圈轉換：減少迴圈中累贅或不必要的額外動作、 減少讀取和儲存記憶體所需的動作和充分有效的 應用硬體以節省執行所需的時間。 • 區域的最佳化(屬於單一基本區塊的處理) 1. 多使用常數，少使用變數來代表常數。 2. 當執行二個相同的計算時，可以採用個別數值 複製的方法來作業，以縮短指令重覆執行所需 的時間。 3. 降低堆疊高度(stack height reduction)：將 樹模表示式(expression tree)重新排序來減少 執行計算所需的時間或降低相關資源的耗費。 • 全域的最佳化：涵蓋多個基本區塊的處理，部分 處理方法與區域最佳化相同 • 迴圈部分的處理： 1. 修改、移動程式碼(code motion)或刪除不必要 的程式碼(dead code elimination)：例如執行 程序呼叫或副程式時，每次都會重覆執行迴圈當 中相同數值的計算，該程式碼可另安排於適當的 位置，不必重覆累贅的計算工作。 2. 刪除不必要的變數或引數(induction variable elimination)： (1)使用指標存取的方式來減少迴圈執行時陣列索引 的額外動作。 (2)簡化副程式當中執行迴圈工作時所遭遇到的陣列 位址的計算。 • 刪除一般的次層或次級表示式(common subexpression elimination)：例如程式碼為 address[i]=address[i]+40，其中address[i]位 址的計算出現二次，因此可以使用計算過的結果 • 刪除不必要的儲存(dead store elimination)。 • 使用常數替換或常數傳播(constant propagation)方法或是採用一個固定的變數(X) 來取代所有被指定為某個多次使用的數值(V)。 • 採取跨越跳躍的執行方式。 • 採用複製替代或複製傳播(copy propagation)的 程式撰寫方式 • 改變指令執行的順序或將管線化作業有效率的排 程，以提高執行效能 • 在條件式跳躍的方面，給予補償或差量的最佳化， 以提供到達目的地最短的差量。 • 以加法計算和移位(shift0的方式來處理乘法的 計算。 • 使用簡易的計算來代替複雜度較高的計算。 程式編譯最佳化的處理 檢查程式語 言的相依性 前端處理 程序整合 處理 高階最佳 化處理 區域性最 佳化處理 全域性最 佳化處理 有效配置 暫存器 產生轉換 的程式碼 組譯器的 最佳化 • 除了最佳化的處理外，在執行程式設計的時候， 我們尚可經由部分方法來改善執行效能: 1. 程式儘量簡潔、清晰和容易閱讀。 2. 程式設計宜有一致性，以方便程式修改和維護。 3. 經常性的計算或事件可採用副程式或程序呼叫的 方法來撰寫。 4. MIPS-32系統只有32個暫存器，應該有效的予以 利用；另外程式計數相對定址法可以獲得條件式 跳躍較嘉的處理結果，而立即定址法對常數運算 特別有效率，這些都是程式設計時可以考慮應用 以提昇效能的方法。 5. 程式設計應保留彈性，調適性或適應性較佳的程 式，總是對編撰程式較有幫助。