Transcript レジスタ - 九州大学

アドレシング・モード
アドレシング・モードとは？
アクセスしたいオブジェクトに対するアドレスの指定方法
（定数，レジスタ，メモリ番地）
例えば，ＭＩＰＳの加算命令の場合
レジスタ$s2の値と，レジスタ$s3の値を
加算して、レジスタ$s1に格納する
レジスタ・アドレシング
$s1
$s2
$s3
$s4
レジスタ
add $s1, $s2, $s3
プロセッサ
ALU
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MIPSのアドレシング・モード
 レジスタ・アドレシング
 レジスタをオペランドとする
 ベース相対アドレシング
 命令中に指定した定数とレジスタの和によって，オペランドが記憶され
ているデータのメモリ番地を表す
 即値アドレシング
 命令中に指定された定数をオペランドとする
 ＰＣ相対アドレシング
 ＰＣと命令中に指定した定数との和によって，フェッチする命令のメモリ
番地を表す
 擬似直接アドレシング
 命令中の26ビットとPCの上位ビットを連結することによって，フェッチす
る命令のメモリ番地を表す
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レジスタ・アドレシング
レジスタをオペランドとする
例）add $s1, $s2, $s3
プロセッサ
op
rs
rt
rd
・・・ func
レジスタ
$s1
$s2
$s3
$s4
レジスタ
R形式命令
$s1
$s2
$s3
$s4
ALU
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ベース相対アドレシング
命令中に指定した定数とレジスタの和によって
オペランドが記憶されているデータのメモリ番地を表す
I形式命令
例） lw $t1, 8 ($s3)
op
$t1
rt
address
主記憶
プロセッサ
レジスタ
アドレス
オフセット
$s1 ベース
$s2
$s3 X
rs
オフセット
X
X+4
X+8
A[0]
A[1]
A[2]
A[99]
32ビットに符号拡張
ベース
レジスタ
＋
メモリ番地
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即値アドレシング
命令中に指定された定数をオペランドとする
I形式命令
例）addi $s1, $s2, n
op
rs
rt
即値
32ビットに符号拡張
レジスタ
＊）定数nは16bit の2の補数表現の符号つき整数
ALU
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PC相対アドレシング
ＰＣと命令中に指定した定数との和によって
フェッチする命令のメモリ番地を表す
例） bne $s1, $s2, LableA
（分岐命令の次命令のPC）
PC
I形式
00
op
rs
rt
address
address を符号拡張
+
00
整列化制約： 命令の
番地は常に4の倍数．
分岐先（Label の番地）
00
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擬似直接アドレッシング
命令中の26ビットとPCの上位ビットを連結すること
によって，フェッチする命令のメモリ番地を表す
例） j LableA
（ジャンプ命令の次命令のPC）
PC
J形式
分岐先
b31～b28
op
b31～b28
b27～b2
00 整列化制約
address
address
00
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MIPSのまとめ
レジスタ
MIPS のレジスタ
レジスタ名
レジスタ番号
用途
$zero
0
$v0～$v1
2～3
関数の返り値
$a0～$a3
4～7
引数用
$t0～$t7
8～15
一時保存用
$s0～$s7
16～23
変数用
$t8～$t9
24～25
一時保存用
$sp
29
スタックポインタ（後述）
不可
$fp
30
フレームポインタ（後述）
不可
$ra
31
戻り番地
不可
定数値 0，不要な結果の破棄
関数呼出時のレジスタ破壊
(NA)
可
不可
可
不可
可
プログラムカウンタ PC： 次に実行する命令の番地を格納．非分岐命令実行ご
とに +4 され，また分岐命令実行時に更新される．
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命令形式
命令形式: 命令語のフィールド構成．
 MIPS は命令語を32bit 幅で統一している．
 MIPS の命令形式は，R形式，I形式，J形式の3種類がある．
 どの命令形式かは，op フィールド（命令操作コード）で判別できる．
R形式
I形式
J形式
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6bit
5bit
5bit
5bit
5bit
6bit
op
rs
rt
address/immediate
6bit
5bit
5bit
16bit
op
address
6bit
26bit
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命令セット
 算術論理演算




加減算命令（R形式，I形式）
比較命令（R形式，I形式）
論理演算命令（R形式，I形式）
シフト命令（R形式）
 データ転送
 メモリロード命令（I形式）
 メモリストア命令（I形式）
 即値ロード命令（I形式）
 分岐
 条件分岐命令（I形式）
 無条件分岐命令（R形式，J形式）
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加減算命令（１）
レジスタ±レジスタ → レジスタ
add
sub
addu
subu
$○, $△,
$○, $△,
$○, $△,
$○, $△,
$□
$□
$□
$□
#
#
#
#
$△ +
$△ –
$△ +
$△ –
$□ → $○
$□ → $○
$□ → $○
$□ → $○
 add/sub 命令は，2の補数表現された符号つき整数の加減算
を行う．
 addu/subu 命令は，符号なし整数の加減算を行う．
 add/sub 命令と addu/subu 命令はオーバーフロー発生時の振
る舞いが違う．（計算については同じことを行う．）
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加減算命令（２）
R形式
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6bit
5bit
5bit
5bit
5bit
6bit
op
rs
rt
rd
shamt
funct
add $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100000
addu $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100001
sub $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100010
subu $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100011
命令
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加減算命令（３）
レジスタ + 定数 → レジスタ
addi
addiu
$○, $△, n
$○, $△, n
# $△ + n → $○
# $△ + n → $○
即値オペランド
 addi/addiu 命令では，定数 n に 16bit の2の補数表現の符号
つき整数（–32768～32767）を指定できる．
 定数 n は 32bit に符号拡張されてから加算される．
 addi 命令と addiu 命令はオーバーフロー発生時の振る舞いが
違う．（計算については同じことを行う．）
 「subi」「subiu」は存在しない．（∵addi，addiu で代用すればよ
い．）
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加減算命令（４）
I形式
op
rs
rt
address/immediate
6bit
5bit
5bit
16bit
op
rs
rt
address/immediate
addi $○, $△, n
001000
$△
$○
n
addiu $○, $△, n
001001
$△
$○
n
命令
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加減算命令（５）
例） $s1 に 65539 が格納されているとき，
addi
$s0, $s1, 13
00000000 00000001
+) 00000000 00000000
00000000 00000001
addi
00000000 00000011
00000000 00001001
00000000 00001100
$s1: 65539(10)
13(10)
$s0: 65552(10)
00000000 00000011
11111111 11110111
11111111 11111010
$s1: 65539(10)
–13(10)
$s0: 65526(10)
$s0, $s1, –13
00000000 00000001
+) 11111111 11111111
00000000 00000000
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比較命令（１）
レジスタ < レジスタ → レジスタ
slt
sltu
$○, $△, $□
$○, $△, $□
# $△ < $□ → $○
# $△ < $□ → $○
レジスタ < 定数 → レジスタ（定数は 32bit に符号拡張）
slti
sltiu
$○, $△, n
$○, $△, n
# $△ < n → $○
# $△ < n → $○
 slt/slti 命令は，第二オペランドと第三オペランドを 2 の補数表現された符
号つき整数とみなして，比較結果を $○ に書き込む．
 sltu/sltiu 命令は，第二オペランドと第三オペランドを符号なし整数とみなし
て，比較結果を $○ に書き込む．
 slti/sltiu 命令では，定数 n は 32bit に符号拡張されてから比較される．
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比較命令（２）
R形式
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6bit
5bit
5bit
5bit
5bit
6bit
op
rs
rt
rd
shamt
funct
slt $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
101010
sltu $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
101011
命令
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比較命令（３）
I形式
op
rs
rt
address/immediate
6bit
5bit
5bit
16bit
op
rs
rt
address/immediate
slti $○, $△, n
001010
$△
$○
n
sltiu $○, $△, n
001011
$△
$○
n
命令
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論理演算命令（１）
レジスタ and/or レジスタ → レジスタ
and
or
xor
$○, $△, $□
$○, $△, $□
$○, $△, $□
# $△ & $□ → $○
# $△ | $□ → $○
# $△ ^ $□ → $○
レジスタ and/or 定数 → レジスタ（定数は 32bit にゼロ拡張）
andi
ori
xori
$○, $△, n
$○, $△, n
$○, $△, n
# $△ & n → $○
# $△ | n → $○
# $△ ^ n → $○
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論理演算命令（２）
ANDゲート： 入力が全て 1 のときのみ出力が 1．
A
Y
B
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
AND演算（&）： オペランドのビットごとに AND をとる．
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
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論理演算命令（３）
ORゲート： 入力のいずれかが 1 のときのみ出力が 1．
A
Y
B
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
OR演算（|）： オペランドのビットごとに OR をとる．
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
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論理演算命令（４）
XORゲート： ２つの入力が異なる値のときのみ出力が 1．
A
Y
B
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
XOR演算（^）： オペランドのビットごとに XOR をとる．
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
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論理演算命令（５）
R形式
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6bit
5bit
5bit
5bit
5bit
6bit
op
rs
rt
rd
shamt
funct
and $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100100
or $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100101
xor $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100110
命令
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論理演算命令（６）
I形式
op
rs
rt
address/immediate
6bit
5bit
5bit
16bit
op
rs
rt
address/immediate
andi $○, $△, n
001100
$△
$○
n
ori $○, $△, n
001101
$△
$○
n
xori $○, $△, n
001110
$△
$○
n
命令
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シフト命令（１）
レジスタを n ビット論理左右シフト → レジスタ
sll
srl
$○, $△, n
$○, $△, n
# $△ を n ビット論理左シフト → $○
# $△ を n ビット論理右シフト → $○
レジスタを n ビット算術右シフト → レジスタ
sra
$○, $△, n
# $△ を n ビット算術右シフト → $○
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シフト命令（２）
n ビット論理シフト演算: n ビット分を左右にずらし，はみ出したビッ
トを捨てて，空いたビットに 0 を補填する．
n ビット左シフト:
0 1 1 1 0 1 1 0
n=2の場合
0 1 1 1 0 1 1 0 0 0
n ビット右シフト:
0 1 1 1 0 1 1 0
n=2の場合
0 0 0 1 1 1 0 1 1 0
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シフト命令（３）
n ビット算術右シフト演算: n ビット分を右にずらし，はみ出したビッ
トを捨てて，空いたビットに 最上位ビット（符号ビット） を補填する．
n ビット右シフト:
1 1 1 1 0 1 1 0
n=2の場合
1 1 1 1 1 1 0 1 1 0
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シフト命令（４）
R形式
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6bit
5bit
5bit
5bit
5bit
6bit
op
rs
rt
rd
shamt
funct
sll $○, $△, n
000000
00000
$△
$○
n
000000
srl $○, $△, n
000000
00000
$△
$○
n
000010
sra $○, $△, n
000000
00000
$△
$○
n
000011
命令
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データ転送命令（１）
レジスタ／メモリ間（符号つき）
lw
lh
lhu
lb
lbu
sw
sh
sb
$○,
$○,
$○,
$○,
$○,
$○,
$○,
$○,
n($△)
n($△)
n($△)
n($△)
n($△)
n($△)
n($△)
n($△)
#
#
#
#
#
#
#
#
（$△ +
（$△ +
（$△ +
（$△ +
（$△ +
$○ →
$○ →
$○ →
n）番地 → $○，1ワード（32bit）
n）番地 → $○，1ハーフワード（16bit）
n）番地 → $○，1ハーフワード（16bit）
n）番地 → $○，1バイト（8bit）
n）番地 → $○，1バイト（8bit）
（$△ + n）番地，1ワード（32bit）
（$△ + n）番地，1ハーフワード（16bit）
（$△ + n）番地，1バイト（8bit）
 オフセット n には，16bit の2の補数表現の整数（–32768～32767）を指定できる．
 オフセット n は 32bit に符号拡張されてからベースレジスタに加算される．
 lw/sw 命令の対象番地は4の倍数，lh/sh 命令の対象番地は2の倍数でなければな
らない．（整列化制約）
 lb/lh 命令では読み込むデータの符号拡張，lbu/lhu 命令ではゼロ拡張が行われる．
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データ転送命令（２）
lw/lh/lb/lhu/lbu/sw/sh/sb $○, n($△)
$○
–32768
$△
zzzz
+n
32767
a
b
c
d
lw/sw
a b c d
lh/sh
X X a b
lhu
0 0 a b
lb/sb
X X X a
lbu
0 0 0 a
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データ転送命令（３）
I形式
op
rs
rt
address/immediate
6bit
5bit
5bit
16bit
命令
op
rs
rt
address/immediate
lw $○, n($△)
100011
$△
$○
n
sw $○, n($△)
101011
$△
$○
n
lh $○, n($△)
100001
$△
$○
n
lhu $○, n($△)
100101
$△
$○
n
sh $○, n($△)
101001
$△
$○
n
lb $○, n($△)
100000
$△
$○
n
lbu $○, n($△)
100100
$△
$○
n
sb $○, n($△)
101000
$△
$○
n
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データ転送命令（４）
即値→レジスタ
lui
$○, n
# $○の上位 16bit に n を格納
# $○の下位 16bit に 0 を格納
$○
n
0000…00
32bit 即値（nm）の転送
lui
$○, n
addi $○, m
lui
ori
$○, n
$○, m
# $○の上位 16bit に n を格納
# $○の下位 16bit に m を格納（符号拡張あり）
# $○の上位 16bit に n を格納
# $○の下位 16bit に m を格納（符号拡張なし）
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データ転送命令（５）
I形式
命令
lui $○, n
op
rs
rt
address/immediate
6bit
5bit
5bit
16bit
op
rs
rt
address/immediate
001100
00000
$○
n
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分岐命令（１）
j
jal
jr
beq
bne
Label
#
Label
#
$○
#
$△, $□, Label #
$△, $□, Label #
Label に無条件分岐
Label に無条件分岐（関数呼出用）
$○の番地に無条件分岐
$△ = $□ ならば Label に分岐
$△  $□ ならば Label に分岐
 命令によってジャンプできる範囲に違いがある．
j, jal（J形式）：擬似直接アドレシング
jr（R形式）：レジスタ値をそのままPCに設定
beq, bne（I形式）：PC相対アドレシング
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分岐命令の守備範囲
00000000
10000000
PC相対アドレシング
（PCを中心に 218 番地の範囲）
20000000
30000000
40000000
50000000
PC
JR命令は全域
60000000
70000000
擬似直接アドレシング
（PCを含むに 228 番地分のページ）
D0000000
E0000000
F0000000
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分岐命令（２）
R形式
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6bit
5bit
5bit
5bit
5bit
6bit
op
rs
rt
rd
shamt
funct
000000
$○
00000
00000
00000
001000
命令
jr $○
I形式
op
rs
rt
address/immediate
6bit
5bit
5bit
16bit
op
rs
rt
address/immediate
beq $△, $□, Label
000100
$△
$□
d
bne $△, $□, Label
000101
$△
$□
d
命令
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分岐命令（３）
J形式
op
address
6bit
26bit
命令
op
immediate
j Label
000010
ラベル Label の番地のビット27～2
jal Label
000011
ラベル Label の番地のビット27～2
擬似直接アドレッシング: j, jal 命令の分岐先番地
PC
J形式
分岐先
b31～b28
j/jal
b31～b28
整列化制約
b27～b0
address
address
00
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アドレシングモード
アドレシングモード: 機械語における番地指定，さらにはオペラン
ドの表現方法．
アドレシングモード
形式
説明
レジスタアドレシング
R
「$○」と直接レジスタを指定する形式． add, sub,
and, or 命令など．
ベース相対アドレシング
I
「n（$○）」とベースレジスタとオフセットで主記憶の
番地を指定する形式．lw, sw 命令など．
即値アドレシング
I
「n」と定数を指定する形式．addi, subi, andi, ori 命
令など．
擬似直接アドレシング
J
命令の番地を指定する形式．アセンブリ言語では
ラベル名として表される．j, jal 命令など．
PC相対アドレシング
I
命令の番地を指定する形式．アセンブリ言語では，
擬似直接アドレシングと同様にラベル名として表さ
れるが，命令表現の形式と意味は異なる． beq,
bne 命令など．
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R形式（１）
R形式
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6bit
5bit
5bit
5bit
5bit
6bit
命令
op
rs
rt
rd
shamt
funct
add $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100000
addu $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
100001
sub $○, $△, $□
000000
$△
$□
$○
00000
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九州大学工学部電気情報工学科
R形式（２）
R形式
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九州大学工学部電気情報工学科
I形式（１）
I形式
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命令
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九州大学工学部電気情報工学科
I形式（２）
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命令
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九州大学工学部電気情報工学科
I形式（３）
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16bit
I形式
命令
op
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九州大学工学部電気情報工学科
 Created by Tsuneo Nakanishi, 2002-2004 (R1.00)
 Updated by Koji Inoue, 2005 (R1.01)
 Updated by Koji Inoue, 2007 (R1.02)
九州大学工学部電気情報工学科