指令的要素

每條機器指令包含(顯式或隱式的)四類資訊:

1. 運算碼(opcode):要做什麼(加、載入、分支……);

2. 來源運算元參考:運算的輸入,可能在主記憶體、暫存器或指令本身(立即值);

3. 結果運算元參考:輸出放哪;

4. 下一指令參考:通常隱含為循序下一條;分支/跳躍指令顯式指定。

指令表示與組合語言

指令以位元組合表示(RV32I:固定 32 位元,欄位劃分見第 18 章)。人類使用助憶碼(mnemonic):ADD、LW、BEQ……;運算元亦以符號表示。組合語言到機器碼的翻譯由組譯器完成(第 19 章實際操作)。

每指令的位址數

古典的分類法:若運算如 \(Y = (A-B) \div (C + D \times E)\):

• 三位址:SUB Y,A,B —— 運算式最自然,指令較長;

• 二位址:MOVE Y,A; SUB Y,B —— 一個運算元兼作目的,x86 風格;

• 一位址:LOAD A; SUB B; STOR Y —— 隱含累加器 AC,早期機器;

• 零位址:堆疊機,PUSH/POP/ADD 操作堆疊頂(JVM 位元組碼)。

位址多 → 指令長但條數少、暫存器利用充分;位址少 → 指令短而簡單但條數多。RV32I 是三位址暫存器型:算術指令皆為 op rd, rs1, rs2。

指令集設計的根本議題

運算劇目(多少種運算?)、資料型態、指令格式(長度、欄位)、暫存器數目、定址模式——這些決策互相牽動,並直接影響編譯器的難易。歷史的鐘擺:CISC(豐富指令、貼近高階語言)→ RISC(精簡指令、依賴編譯器,第 13 章)→ 現代的務實混合。

運算元型態

• 位址:本質是無號整數,參與位址算術。

• 數值:二補數整數(第 9 章)、IEEE 754 浮點、(商用機器的)十進位壓縮 BCD。

• 字元:ASCII(7 位元 + 擴充)、今日的 Unicode/UTF-8。

• 邏輯資料:把字視為 32 個獨立位元,供位元運算(AND/OR/XOR/移位)操作;同一串位元,解讀方式由指令決定——這是機器層的重要觀念:資料本身沒有型態,指令賦予它意義。

RV32I 僅支援 32 位元整數運算,記憶體存取粒度為位元組/半字/字(lb/lh/lw),帶號/無號由指令區分(lb vs lbu);浮點、向量等以擴展提供——「小核心 + 選配擴展」正是 RISC-V 對「運算劇目」問題的回答。

運算類型

資料傳輸

最基本的指令類別。須指定:來源與目的(記憶體/暫存器/堆疊)、資料量、(涉及記憶體時)定址模式。RV32I:lw/lh/lb/lhu/lbu(載入)、sw/sh/sb(儲存)、暫存器間搬移以 mv rd,rs(實為 addi rd,rs,0)。

算術與邏輯

加減乘除、取負、遞增遞減;AND/OR/NOT/XOR;移位:

• 邏輯移位:移出丟棄、補 0(sll/srl);

• 算術右移:複製符號位(sra),相當於帶號除以 2 的冪(向負無窮捨入);

• 旋轉:位元繞回(RV32I 基礎集無,B 擴展提供)。

srli t1, t0, 15      # 右移 15 位
andi t1, t1, 0x1F    # 遮罩取 5 位

轉換、I/O 與系統控制

轉換:型態/編碼變換(如整數↔︎浮點,RISC-V F 擴展的 fcvt)。I/O:專用指令(隔離式)或記憶體映射(RISC-V)。系統控制:特權指令——RISC-V 的 csrrw 等 CSR 指令、mret、wfi(第 21 章)。

控制轉移

• 分支(branch):條件成立則 PC ← 目標。兩種風格:條件碼(x86:先 CMP 設旗標,再 Jcc)vs. 比較與分支合一(RISC-V:beq/bne/blt/bge/bltu/bgeu 直接比較兩暫存器)。

• 跳躍(jump):無條件轉移;RV32I 的 jal(跳並鏈結)、jalr(暫存器間接跳躍)。

• 程序呼叫:需保存返回位址。歷史作法:存入暫存器、存入被呼叫端開頭、壓入堆疊(最通用,支援遞迴與可重入)。RISC-V:jal ra, func 把返回位址放 ra(x1),葉函式免記憶體存取;非葉函式由軟體把 ra 壓上堆疊(第 19 章呼叫慣例)。

位元組序(Endianness)

多位元組資料在記憶體中如何排列?32 位元值 0x12345678 存於位址 400:

大端序:最高有效位元組在最低位址(IBM 主機、網路位元組序);小端序:最低有效位元組在最低位址(x86、RISC-V)。差異影響:跨機資料交換(網路協定固定大端)、聯集/指標詭技、十六進位傾印的閱讀。RISC-V 規定記憶體為小端序(指令提取一律小端),部分實作可選資料大端模式。

本章重點回顧

複習問題

1. 寫出計算 \(Y=(A-B)/(C+D\times E)\) 的三位址、二位址、一位址與零位址(堆疊)程式。

2. RISC-V 為什麼不需要 PUSH/POP 指令?堆疊操作如何合成?

3. 條件碼風格與比較分支合一風格各有何優缺點(提示:管線相依、指令數)?

4. sra 與 srl 對 0xFFFF0000 右移 4 位的結果各為何?

5. 值 0xDEADBEEF 存於小端序機器位址 0x100,寫出 0x100–0x103 各位元組。

6. 為什麼「資料本身沒有型態」?以 lb 與 lbu 讀同一位元組為例說明。