关于否定 mips 中的符号整数？答案

【问题标题】：About negate a sign-integer in mips?关于否定 mips 中的符号整数？
【发布时间】：2019-05-03 06:04:12
【问题描述】：

我正在考虑如何否定 mips32 中的有符号整数。我的直觉是使用 2 的补码的定义，例如：（假设 $s0 是要否定的数字）

nor $t0, $s0, $s0   ; 1's complement
addiu $t0, $t0, 1   ; 2's = 1's + 1

然后我意识到可以这样做：

sub $t0, $zero, $s0

所以...有什么区别？哪个更快？ IIRC sub 将尝试检测溢出，但这会使速度变慢吗？最后，有没有其他方法可以做到这一点？

【问题讨论】：

sub 变体更清晰；大家都知道0 - X == -X，但不是每个人都知道~X+1 == -X（也不是每个人都熟悉NOR运算）。它也尽可能快，因为它是一条指令。 nor / addiu 变体存在数据风险，其中addiu 取决于nor 指令的结果。在实践中，这可能会被处理而不会导致任何管道停顿，但这取决于您正在运行的特定 MIPS 实现。
sub 实际上做同样的事情，但在单个 ALU 操作中
@Michael：我也觉得sub更好，而且出现在我读的书中。但我只是好奇/怀疑底层正在做与我的第一个版本相同的事情......
@Minn：酷，你马上回答我的第二条评论。
这两种变体并不等价。 sub 将导致算术溢出异常（即尝试计算 -INT_MIN 时）。如果你使用subu（或addi而不是addiu），它会是等价的。

标签： assembly mips cpu-architecture micro-optimization mips32

【解决方案1】：

subu $t0, $zero, $s0 是最好的方法，也是编译器所做的。

在任何给定的 MIPS 实现中，大多数简单的 ALU 指令（add/sub/and/nor）具有相同的性能。用 1 条简单指令而不是 2 条简单指令完成相同的工作在代码大小、延迟和吞吐量方面是一个优势。

更少的指令并不总是更好，但 MIPS 作为经典的 RISC ISA 并没有很多“慢”指令，除了 mult / div / rem。

sub 而不是subu 会在-INT_MIN 上引发异常，您可以避免在nor/add 版本中使用addiu。您应该始终使用u 版本的sub 和add 指令，除非您特别想要签名溢出来引发异常。 C 编译器始终使用u 版本。（在 C 中，有符号溢出是未定义的行为。这意味着它允许出错，但不是必需出错，而且通常没有人想要这样。编译器希望能够优化和引入创建临时值的转换在 C 抽象机中永远不存在，因此在这样做时必须避免出错。）

On the Godbolt compiler explorer, MIPS gcc5.4 -O3 编译

int neg(int x) { return -x; }

进入

neg(int):
    j       $31
    subu    $2,$0,$4        # in the branch delay slot

完全符合我们的预期。询问编译器通常是找到在 asm 中执行操作的有效方法的好方法。

IIRC sub 会尝试检测溢出，但这会使速度变慢吗？

没有。据我所知，在无异常情况下，sub 的性能与subu 相同。

CPU 针对常见情况进行了大量优化。在普通代码中很少发生异常，因此异常需要相当多的周期是可以的。因此，CPU 内核只需要在任何错误结果被写回寄存器文件或存储到缓存/内存之前检测到异常。在任何 MIPS 管道上，执行和回写之间至少有几个管道阶段。

在有符号溢出的情况下，ALU 可以在与结果相同的周期内产生溢出信号。（带有被大多数指令更新的“标志”寄存器的 ISA 一直都这样做，作为 add 指令的正常操作的一部分：如果软件想要在 x86 或 ARM 上对有符号溢出做一些特殊的事情，他们会使用溢出标志上的条件分支（x86 上的 OF，ARM 上的 V）。MIPS 的特殊之处在于，除了在有符号溢出时处理异常之外，它很难做任何事情。）

【讨论】：

请注意，有符号溢出是未定义的行为在 C 中（例如，如果编译器愿意，可以使用 sub，或者假设 @987654337 @result 没有溢出到 INT_MIN，因此之前和之后的 x 不可能是 INT_MIN)。因此，如果您在查找绝对值的过程中执行此操作，您需要避免在进行无符号减法之前使用0U - x 将x 转换为unsigned，从而产生无符号结果。在像 MIPS 这样的 2 的补码机器上，将有符号 int 转换为相同宽度的无符号是免费的，只需使用未更改的位模式。