MIPS 暫存器架構筆記

所有暫存器都是 32 bits

2. CPU 暫存器分類

CPU 內的暫存器可以分成兩大類：

(1) General-Purpose Register, GPR (一般目的暫存器)

一般用途暫存器，用來存放一般資料、運算元、參數等。

例子有：

$s0 ~ $s7
$t0 ~ $t9
$a0 ~ $a3
還有其他暫存器

可整理成：

$s 系列：通常用來放需要保留的資料
$t 系列：通常用來放暫時資料
$a 系列：通常用來放函式參數

(2) Special-Purpose Register, SPR (特殊目的暫存器)

特殊用途暫存器，用來支援 CPU 的特定功能。

Hi (乘積左半餘數)
Lo (乘積右半商數)
PC

其用途：

Hi / Lo：通常和乘法、除法運算結果有關
PC (Program Counter)：存放下一個要執行的指令位址

3. CPU

CPU 有一組 Registers（編號 $0 到 $31）
CPU 內有 Arithmetic unit（算術單元）
CPU 內有 Multiply divide 單元
Multiply/divide 單元會搭配：
- Lo
- Hi
一般加減等運算交給 Arithmetic unit
乘法、除法等運算交給 Multiply divide 單元
而乘除結果會和 Hi / Lo 這兩個特殊暫存器配合

4. FPU（浮點運算單元）

FPU 暫存器

圖中寫：

FPU：$f0 ~ $f31

表示浮點運算單元有一組自己的暫存器：

共 32 個浮點暫存器
編號從 $f0 到 $f31

FPU 方塊圖重點

Coprocessor 1 就是 FPU
裡面有一組 Registers（$0 ~ $31）
也有自己的 Arithmetic unit

CPU/FPU

CPU 主要處理整數與一般控制工作
FPU 專門處理浮點數運算
因此 FPU 會有自己獨立的暫存器和算術單元

5. Coprocessor 0 (協同處理器)

Status：記錄處理器狀態
Cause：記錄例外發生原因
EPC：記錄發生例外時的程式位置
BadVAddr：記錄造成錯誤的位址

PC（Program Counter）：

存放「目前正在執行的指令位址」的暫存器。

GPR

GPR 總表

Type	Name	Number	Usage
Assembler related	`$at`	`$1`	Preserved for Assembler
OS related	`$k0 - $k1`	`$26 - $27`	Preserved for OS
Procedure call	`$v0 - $v1`	`$2 - $3`	Values for Results
Procedure call	`$a0 - $a3`	`$4 - $7`	Values for Arguments
Procedure call	`$ra`	`$31`	Value for Return address
Variables / constants	`$s0 - $s7`	`$16 - $23`	Saved
Variables / constants	`$t0 - $t7`	`$8 - $15`	Temporaries
Variables / constants	`$t8 - $t9`	`$24 - $25`	More temporaries
Variables / constants	`$zero`	`$0`	The constant value 0
Memory management	`$gp`	`$28`	Global pointer
Memory management	`$sp`	`$29`	Stack pointer
Memory management	`$fp`	`$30`	Frame pointer

$at：assembler 用
$k0 ~ $k1：OS 用
$v0 ~ $v1：回傳值
- 常用 : 用之前存，跳回去的時候刪除
$a0 ~ $a3：參數
$ra：返回位址
$s0 ~ $s7：saved
- 一定要從 $s0 開始排
$t0 ~ $t9：temporary
$zero：固定 0
- 0 是最常用的常數之一，尤其常拿來做比較，所以 MIPS 把 $0 固定成 0，讓 CPU 可以隨時直接使用。
$gp：global pointer
$sp：stack pointer
$fp：frame pointer

Caller / Callee

Caller
呼叫別人的函式。
Callee
被呼叫的函式。

Argument / Parameter

Argument
呼叫函式時，實際傳進去的值。
Parameter
函式定義裡接收 argument 的變數。
如果有大於4個parameters ?
- 剩下的放memory

Caller / Callee 為什麼會覆蓋 register ?

不同 procedure 若共用同一批 register，彼此的值可能被覆蓋。

解法

方法 1：用 saved register 規則
callee 先把原本值存起來，結束前再恢復。
方法 2：把值存到 stack
這也是後面 stack / frame 出現的理由。

方法 1：用 saved register 規則

概念

這個方法是利用 MIPS 的 saved register 規則。

在 MIPS 中：

$s0 ~ $s7 是 saved registers
如果 callee（被呼叫函式） 要使用這些暫存器
就必須：
1. 先保存原本值
2. 用完後再恢復

重點

這是一種 規則 / calling convention
重點在於：哪些暫存器不能隨便破壞
如果用了 $s 暫存器，函式結束前要還原

例子

foo:
    addi $sp, $sp, -4
    sw   $s0, 0($sp)     # 先保存原本的 $s0

    li   $s0, 123        # 函式內使用 $s0

    lw   $s0, 0($sp)     # 結束前恢復
    addi $sp, $sp, 4
    jr   $ra

特點

適合放 需要保留較久的值
由 callee 負責保護
常和 $s0 ~ $s7 一起出現

方法 2：把值存到 stack

概念

如果某個值怕被覆蓋，就先把它存到 stack（堆疊） 裡，等需要時再取回。

做法

通常步驟是：

用 $sp 挪出空間
用 sw 把值存進 stack
之後再用 lw 讀回
最後把空間還回去

例子

addi $sp, $sp, -4
sw   $t0, 0($sp)    # 把 $t0 存到 stack

...

lw   $t0, 0($sp)    # 從 stack 取回
addi $sp, $sp, 4

重點

這是一種 實作方式
重點在於：資料實際存到哪裡
存放位置是 主記憶體中的 stack 區域

兩種方法的差別

方法	重點	本質
方法 1：用 saved register 規則	哪些暫存器必須保留、誰負責保留	規則
方法 2：把值存到 stack	保留時資料實際放在哪裡	做法

記憶體區域概念

Code
存程式碼
Static
存全域變數、靜態變數
Heap
動態配置記憶體（如 malloc()）
Stack
區域變數、程序呼叫資訊、saved registers 等
Reserved
保留區

$gp = Global Pointer

$gp 指向 static area
存取：
- global variables
- static variables

$sp = Stack Pointer

$sp 指向 stack 中「最新配置的位置」
stack 是：
後進先出（LIFO）
有 push / pop
程序呼叫時會動到

$fp = Frame Pointer

$fp 指向目前 procedure 的 frame（activation record）中的固定位置。
定義
- $fp 指向目前 procedure 的 frame（activation record）中的固定位置。
- 為什麼還要 $fp？
  因為 $sp 在函式執行過程中可能一直變：
  如果只靠 $sp，
  那某個 local variable 的 offset 可能前後變來變去。
$fp 提供一個穩定基準點，
讓區域變數、saved registers、額外參數都能用固定 offset 存取。

Procedure Frame

又叫：activation record

定義

Procedure frame 就是某個函式在執行時，在 stack 上切出來的一塊專屬空間。

這塊空間通常拿來存放：

被保存的暫存器
區域變數
返回位址
與函式執行有關的暫存資料
為什麼需要兩個 pointer：$sp 與 $fp？
- $sp 會改變
- $fp 保持穩定
只有MIPS有$fp ，其他只有$sp

Spilling Register

因為：
程式裡的變數很多
register 數量有限
所以不可能所有變數都一直待在 register 裡。
定義 :
Spilling registers：
把比較不常用、暫時不用、之後才會用的變數，
先放到記憶體裡。

需要時再：

load 回 register
不需要時再 store 回 memory
最常使用的變數留在 registers
其他變數放 memory
透過 load/store 在 register 與 memory 間搬移

為什麼不乾脆做超多 registers？

理由 1：decoder 變慢
register 太多時，
存取 register 要經過 decoder，
decoder 會更複雜、更慢。
理由 2：clock cycle 變長
訊號傳得更遠、更複雜，
CPU 時脈週期可能變長，
整體效能反而下降。
理由 3：功耗增加
更多 register 會增加 power consumption。
核心設計原則
Smaller is faster
但少也有可能變爛
- 因為CPU與memory 交換次數多就會變爛

RISC-V

(1) RISC-V 的 register file

RISC-V 有 32 個 general-purpose registers
編號為：
- x0 ~ x31
每個 register 都是 32-bit
因此可說是：
- 32 × 32-bit register file
這些 registers 主要用來存放：
- 常用資料
- 運算中的中間值
- 函式參數
- 回傳值
- 指標與位址資訊

(2) 32-bit data 叫做什麼？

32-bit data 稱為一個 word

也就是：

1 word = 32 bits = 4 bytes

2. RISC-V 暫存器總表

Register	Symbol name	Description	Saver
`x0`	`zero`	Hard-wired zero	-
`x1`	`ra`	Return address	Caller
`x2`	`sp`	Stack pointer	Callee
`x3`	`gp`	Global pointer	-
`x4`	`tp`	Thread pointer	-
`x5 ~ x7`	`t0 ~ t2`	Temporaries	Caller
`x8`	`s0 / fp`	Saved register / frame pointer	Callee
`x9`	`s1`	Saved register	Callee
`x10 ~ x11`	`a0 ~ a1 / v0 ~ v1`	Function arguments / return values	Caller
`x12 ~ x17`	`a2 ~ a7`	Function arguments	Caller
`x18 ~ x27`	`s2 ~ s11`	Saved registers	Callee
`x28 ~ x31`	`t3 ~ t6`	Temporaries	Caller

Translation Hierarchy

High-level language
→ Compiler
→ Assembly language
→ Assembler
→ Machine language object module
→ Linker
→ Executable (.EXE)
→ Loader
→ 載入 memory 執行

各工具功能

Compiler
把高階語言翻成組合語言
Assembler
把組合語言翻成機器語言（object module）
Linker
把多個 object modules 與 library routines 結合，
並解析符號參照
Loader
把 executable 放進記憶體並初始化執行環境

Loader 做什麼？

讀 executable header，決定 text / data segment 大小
建立足夠大的 address space
把 instructions 與 data 複製到 memory
把程式參數放到 stack
初始化 machine registers，設定 stack pointer
跳到 start-up routine，之後呼叫 main，main 結束後用 system call 結束程式

Program 與 Procedure 差別

Program：執行單位
Procedure：編譯 / 組譯單位

Compilation 與 Interpretation

重點

高階語言先經過 compiler 轉成目標機器可直接執行的 machine code
產生出來的 machine code 是針對特定硬體平台的
編譯完成後，執行時不需要再逐行翻譯

優點

高效能（High performance）
可做較多 最佳化（Optimization）

缺點

可攜性較低（Low portability）
因為不同硬體（如 x86 / MIPS / ARM）通常要重新編譯

Interpretation（直譯 / 解譯式執行）

重點

Java 原始程式先被編成 Java bytecode
bytecode 不是直接給硬體執行
而是交給 JVM 來解讀與執行

優點

高可攜性（High portability）
同一份 bytecode 只要有 JVM 的平台就能執行

缺點

效能較低（Low performance）
因為執行時還要經過 JVM 解譯

JVM 與 JIT

JVM（Java Virtual Machine）

Java 的解譯器 / 執行環境
負責執行 Java bytecode

JIT（Just In Time Compiler）

為了提升效能，JVM 可以啟動 JIT compiler
JIT 會在程式執行時分析哪些方法最常用（hot methods）
再把這些方法編譯成本地平台的 native code

JAVA優勢

Java 並不是「完全純直譯」
而是：

Java source
→ bytecode
→ JVM 執行
→ 必要時 JIT 再編成本地碼

Java 的最大優勢：Machine independence（機器獨立性）
代價：通常效能不如直接編譯成 machine code 的 C/C++

常考題目整理

題型 1

Java 最重要的優點是什麼？
答：Machine independence

題型 2

為什麼 C 通常比 Java / Python 快？
答：

C 屬於編譯式語言
可直接轉成 machine code
不需像直譯式系統一樣執行時再多一層翻譯

題型 3

JIT 的作用是什麼？
答：

找出執行中的熱點程式碼
將其編譯為 native code
提升執行效能

Instruction Types

大類	子類	細項 / 功能
Data Movement（Data Transfer）	-	load（from memory）
Data Movement（Data Transfer）	-	store（to memory）
Data Movement（Data Transfer）	-	memory-to-memory move
Data Movement（Data Transfer）	-	register-to-register move
Data Movement（Data Transfer）	-	input（from I/O device）
Data Movement（Data Transfer）	-	output（to I/O device）
Data Movement（Data Transfer）	-	push, pop（to/from stack）
Operation	Arithmetic	(integer or FP) add, sub, multiply, divide
Operation	Logical	shift, rotate, set, clear
Operation	Logical	not, and, or
Flow Control	Intra program	unconditional, conditional
Flow Control	Inter program	call, return
Flow Control	System call	trap, return

Instruction Set 的三大類

Data Movement（Data Transfer）

把資料從一個地方搬到另一個地方
例如在 memory、register、I/O、stack 之間傳送資料

圖中列出的例子有：

load（from memory）
store（to memory）
memory-to-memory move
register-to-register move
input（from I/O device）
output（to I/O device）
push, pop（to/from stack）

Data Movement 各項說明

load

從 memory 讀資料 到 CPU / register
例如把記憶體中的某個值載入暫存器

store

把資料從 CPU / register 寫回 memory

MIPS 只有上面兩個 load , store

memory-to-memory move

直接把資料從某個記憶體位置搬到另一個記憶體位置

register-to-register move

把某個 register 的值搬到另一個 register

input

從 I/O device 把資料送進來

output

把資料從 CPU 送到 I/O device

push / pop

和 stack 有關
push：把資料放進 stack
pop：從 stack 取出資料

Operation（運算）

這一類指令負責對資料做運算。

圖中把 Operation 分成兩大類：

Arithmetic
Logical

Arithmetic（算術運算）

圖中寫：

(integer or FP)
add, sub, multiply, divide

代表算術運算可以包含：

整數運算（integer）
浮點數運算（FP = floating point）

常見算術指令有：

add：加法
sub：減法
multiply：乘法
divide：除法

Logical（邏輯運算）

圖中列出兩部分：

第一部分

shift
rotate
set
clear

第二部分

not
and
or

Logical 指令各項理解

shift

位元左移或右移

rotate

位元旋轉

set

將某些位元設成指定值

clear

將某些位元清成 0

not

位元反相

and

位元 AND 運算

or

位元 OR 運算

這類指令通常和：

bit manipulation
mask
權限位元
條件判斷前處理
很有關係

Flow Control（流程控制）

這一類指令不是在算數值，
而是在控制：

程式接下來要執行哪裡
是否跳躍
是否呼叫函式
是否進入系統服務

圖中把 Flow Control 分成三類：

Intra program : 跳在內部
Inter program : 跳出去別的Procedure
System call

Intra program（程式內部流程控制）

圖中寫：

unconditional
conditional

這表示在同一個程式內部進行跳轉。

unconditional

無條件跳躍
不管條件如何都直接跳到指定位置

conditional

條件跳躍
條件成立才跳，不成立就繼續往下執行

Inter program（跨程式 / 函式層級控制）

圖中寫：

call
return

這一類主要是在做：

函式呼叫
從函式返回

call

跳到另一段程式 / 函式去執行

return

執行完後回到原來呼叫的位置

這和：

return address
stack
procedure frame
有很大關係

System call（系統呼叫）

圖中寫：

trap
return

這一類和作業系統有關。

trap

程式主動或被迫進入系統 / 例外處理流程

return

從系統服務或例外處理返回原程式

整張圖的總整理

A. Data Movement

負責搬資料

load
store
move
input / output
push / pop

B. Operation

負責運算

Arithmetic：加減乘除
Logical：位元操作與邏輯運算

C. Flow Control

負責改變程式執行流程

Intra program：程式內跳躍
Inter program：call / return
System call：trap / return

這頁和前面 register / memory 的關係

這頁其實是在把前面學過的 register、memory、stack、procedure call 串起來：

load / store：對應 register 和 memory 之間搬資料
push / pop：對應 stack
call / return：對應 procedure call、ra、stack frame
trap / return：對應 system call、exception、OS

所以這張圖算是整體指令功能的大分類圖。