附錄.A 指令集準則

1. 指令集的分類

如果依照CPU內部儲存的方式可分為下列幾種計算機架構：
- stack architecture
- accumulator architecture
- register-memory architecture
- register-register architecture
- memory-memory architecture
如果依照指令集分類可分為：
- RISC
- CISC

2. 記憶體定址（Memory addressing）

解讀記憶體的方式(位元組存放順序 Endianness )：
- 小端序 (Little Endian) 記憶體的位置由LSB開始存
- 大端序（Big Endian）記憶體的位置由MSB開始存
對齊在儲存資料時，記憶體需要對齊，這可以方便CPU取出資料
定址模式(Addressing Mode)

定址模式能得知哪些指令中的運算元要被執行、儲存的地方為何、處理的動作…

常見的定址模式如下：

通常displacement 和 immediate addressing 使用機率最高

3. 運算元的型態與大小 (Type and Size of Operands)

常見的型態：

型態(types)	大小(sizes)
字元 (character)	8 bits
半字 (half word)	16 bits
字 (word)	32 bits
整數 (integers)	32 bits
單精度浮點數 (single-precision floating point)	32 bits
雙精度浮點數 (double–precision floating point)	64 bits

十進位格式(packed decimal or binary-coded decimal—)：用四個bits來表示一個十進位的數字，使用的原因為利用十進位格式的數字可以得到更精確的十進位數值

Example

$(0.1){10} = (0.000110011\overline{0011}){2}$

4.流程控制相關的指令(Instructions for Control Flow)

分類：
- Conditional branches
- Jumps
- Procedure calls
- Procedure returns
方法：常見作法為利用程式計數器(program counter - PC)作位移(displacement)來得到目標地址，此方法稱為**PC-relative**，這個特性使得程式不管從那個位置載入都能順利執行，這種與載入位址無關的特性，我們稱之**position independence**。

在控制流程中目標位址應當是明確的，但在有些情況下，目標位址在編譯期間仍是未知的，故另外一個方法是動態的改變跳躍的位址，常用的實作方法為利用**暫存器間接定址模式(register indirect addressing mode)**使目標位址可以變動。
- 暫存器間接定址法模式對下列四種情況特別有效：
  - Case or Switch
  - Virtual functions or methods
  - High-order functions or function pointers
  - Dynamically shared library

條件分支選項(Conditional Branch Options) 因為大部分的控制流程所產生的改變都來自於條件分支(Conditional Branch)，故作條件分支判斷就成了很重要的問題，以下是常見的三種技術：

Name	Examples	How condition is tested Advantages	Disadvantages
Condition code (CC)	80x86, ARM, PowerPC, SPARC, SuperH	Tests special bits set ALU operations, possibly under program control.	Sometimes condition is set for free.	CC is extra state. Condition codes constrain the ordering of instructions since they pass information from one instruction to a branch.
Condition register	Alpha, MIPS	Tests arbitrary register with the result of a comparison.	Simple.	Uses up a register.
Compare and branch	PA-RISC, VAX	Compare is part of the branch. Often compare is limited to subset.	One instruction rather than two for a branch.	May be too much work per instruction for pipelined execution.

程序調用選項(Procedure Invocation Options) 程序的呼叫和返回包含了控制權轉移與狀態儲存(至少在程式呼叫上要將返回地址給儲存起來)，有些傳統的架構甚至會提供一套機制來儲存許多的暫存器，而現今的架構幾乎都是需要編譯器來產生對應的load/store來對每個暫存器作儲存/讀出。

而在儲存狀態至暫存器中的方法，主要分成兩個流派：
1. 呼叫者儲存(Caller save): 呼叫者儲存在呼叫後仍需要的值
2. 被呼叫者儲存(Callee save): 被呼叫者儲存呼叫後仍需要的值，在程式結束前，將這些值在交還給呼叫者
*有些狀況使用Caller save較容易，像是兩個程序都能看到同一些全域變數，這樣Caller在Callee執行時也能夠看到那些變數，進一步作處理*

5.編譯器規則(The Role of Compilers)

現今編譯器: 現今編譯器一般多由2~4個passes組成 *一個pass:指讀且轉換整個程式的過程*
- 編譯器架構
優化序列排序問題(Phase-ordering problem): 因為現今的編譯器多是一次針對一些部份作優化，故優化過程的前後序列排序就成了很重要的議題，優化序列排序問題主要就是決定—**以怎樣的順序作多少部份的優化能得到最大好處**。
- Example: 在編譯器中有一種優化技術稱為：全域共同表達式精簡(global common subexpression elimination)，它利用找尋有無某些表達式含的子表達式計算後的值相同，並宣告一個變數將值儲存起來，這樣下次僅需要從變數中讀取這個值，不需要在重新計算。
```
a = b * c + g;
d = b * c * e;
```
  可轉換成下列程式碼來進行優化
```
tmp = b * c;
a = tmp + g;
d = tmp * e;
```
  而這邊如果暫存器分配(register allocation)在這之後，且作的方式有誤，可能不會將tmp放在暫存器中，導致在讀取tmp時比原先計算所花的時間更多。
計算機架構設計者如何幫助編譯器設計者？
- 提供有規律的指令集(Provide regularity): 指令集中資料型態、操作和定址模式應該彼此正交，即不可特定某些暫存器僅能以某些特別的指令操作，或是指令之間有很強的相依性
- 提供必要的，而不是複雜的指令(Provide primitives, not solutions)
- 提供簡單的取捨判斷(Simplify trade-offs among alternatives)
- 提供指令使某些在編譯期間已知的數值能以常數來表示(Provide instructions that bind the quantities known at compile time as con- stants)

6.MIPS架構 (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)

特性
- 為一 load-store 架構
- 在實現管線化(pipeling)的部份極具效率，每個指令都是相同長度
暫存器(Registers for MIPS) 在MIPS中暫存器可分為GPRs(general-purpose register)與FPRs(floating-point registers) 命名方式：
- GPRs: R0, R1, R2 … R32
- FPRs: F0, F1, F2 … F32 FPR可以儲存雙精度或單精度的浮點數，如果儲存單精度浮點數的話，僅會使用一半的空間。
資料型態(Data Types for MIPS) |型態(types)|大小(sizes)| |—|—| |位元組 (byte)|8 bits| |半字 (half word)|16 bits| |字 (word)|32 bits| |雙字 (double word)|64 bits| |單精度浮點數 (single-precision floating point)|32 bits| |雙精度浮點數 (double–precision floating point)|64 bits|
資料轉移的定址模式(Addressing Modes for MIPS Data Transfers) MIPS所提供的資料定址僅有兩種模式
1. 立即定址(immediate addressing)
2. 位移定址(displacement addressing)
MIPS指令格式(MIPS Instruction Format)
MIPS操作(MIPS Operations) 它含有4種類型的操作指令：
- 存取(load-store)
- 算術運算(ALU operations)
- 分支與跳躍(branches and jumps)
- 浮點數運算(floating-point operations)
MIPS指令解說
- 符號說明：
  - ←的下標代表搬移幾個bit到左邊
  - 而文字下標的表示bit的區域，而A’..‘B代表從位置A到位置B區段的bits，在這邊MSB為0（e.g., $Regs[R3]_{56..63}$ 代表靠LSB最近的那個bytes）
  - Mem代表主記憶體
  - 上標代表複製這個值幾個bit（e.g., $0^{48}$代表有48bits的0）
  - ##代表連接兩個不同的區段
- 讀存(Load-Store)：
- 控制流程(Control flow)：