自己动手写处理器之第一阶段（3）——MIPS32指令集架构简介

将陆续上传本人写的新书《自己动手写处理器》（尚未出版），今天是第四篇，我尽量每周四篇

 

1.4 MIPS32指令集架构简介

      本书设计的处理器遵循MIPS32 Release 1架构，所以本节介绍的MIPS32指令集架构指的就是MIPS32 Release 1。

1.4.1 数据类型   

      指令的主要任务就是对操作数进行运算，操作数有不同的类型和长度，MIPS32提供的基本数据类型如下。

•   位（b）：长度是1bit。
•   字节（Byte）：长度是8bit。
•   半字（Half Word）：长度是16bit。
•   字（Word）：长度是32bit。
•   双字（Double Word）：长度是64bit。

      此外，还有32位单精度浮点数、64位双精度浮点数等。

1.4.2 寄存器

      在前文介绍RISC的特点时提到一点：大量使用寄存器。这是因为寄存器的存取可以在一个时钟周期内完成，同时也简化了寻址方式。MIPS32的指令中除加载/存储指令外，都是使用寄存器或立即数作为操作数的。MIPS32中的寄存器分为两类：通用寄存器（GPR：General Purpose Register）、特殊寄存器。

1、通用寄存器

      MIPS32架构定义了32个通用寄存器，使用$0、$1……$31表示，都是32位。其中$0一般用做常量0。

      在硬件上没有强制指定寄存器的使用规则，但是在实际使用中，这些寄存器的用法都遵循一系列约定，例如：寄存器$31一般存放子程序的返回地址。MIPS32中通用寄存器的约定用法如表1-1所示。在本书大部分章节中，测试程序都是直接使用汇编指令编写的，对寄存器的约定用法还不需要十分在意，但是本书的最后一章移植μC/OS-II时，因为涉及到C语言、汇编混合编程，对寄存器的约定用法就需要十分在意了。读者届时可以体会到表1-1中各个寄存器约定用法的作用。

2、特殊寄存器

      MIPS32架构中定义的特殊寄存器有三个：PC（Program Counter程序计数器）、HI（乘除结果高位寄存器）、LO（乘除结果低位寄存器）。进行乘法运算时，HI和LO保存乘法运算的结果，其中HI存储高32位，LO存储低32位；进行除法运算时，HI和LO保存除法运算的结果，其中HI存储余数，LO存储商。

1.4.3 字节次序

      数据在存储器中是按照字节存放的，处理器也是按照字节访问存储器中的指令或数据，但是如果需要读出一个字，也就是4个字节，比如读出的是mem[n]、mem[n+1]、mem[n+2]、mem[n+3]这四个字节，那么最终交给处理器的有两种结果。

•  {mem[n],mem[n+1],mem[n+2],mem[n+3]}
•  {mem[n+3],mem[n+2],mem[n+1],mem[n]}

      前者称为大端模式（Big-Endian），也称为MSB（Most Significant Byte），后者称为小端模式（Little-Endian），也称为LSB（Least Significant Byte）。在大端模式下，数据的高位保存在存储器的低地址中，而数据的低位保存在存储器的高地址中。图1-4给出0x12345678在两种模式下的存储情况。本书实现的处理器采用的是大端模式（Big-Endian）。

1.4.4 指令格式

      MIPS32架构中的所有指令都是32位，也就是32个0、1编码连在一起表示一条指令，有三种指令格式。如图1-5所示。其中op是指令码、func是功能码。

      （1）R类型：具体操作由op、func结合指定，rs和rt是源寄存器的编号，rd是目的寄存器的编号，比如：假设目的寄存器是$3，那么对应的rd就是00011（此处是二进制）。MIPS32架构中有32个通用寄存器，使用5位编码就可以全部表示，所以rs、rt、rd的宽度都是5位。sa只有在移位指令中使用，用来指定移位位数。

      （2）I类型：具体操作由op指定，指令的低16位是立即数，运算时要将其扩展至32位，然后作为其中一个源操作数参与运算。

      （3）J类型：具体操作由op指定，一般是跳转指令，低26位是字地址，用于产生跳转的目标地址。

1.4.5 指令集

      在“计算机的简单使用模型”中已经介绍过，可以直接使用0、1编码进行程序设计，但是那样显然太不方便、容易出错，于是人们使用一些助记符来表示各种指令，这就是汇编指令，使用汇编程序将汇编指令翻译为计算机可以识别的0、1编码。也就是将汇编指令翻译为图1-5所示的格式，这样处理器就可以识别了。MIPS32架构中定义的指令可以分为以下几类。注意：其中不包括浮点指令，因为本书实现的处理器不包含浮点处理单元，也就没有实现浮点指令，所以此处不介绍浮点指令。

1、逻辑操作指令

      有8条指令：and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui，实现逻辑与、或、异或、或非等运算。本书设计的处理器实现了所有逻辑操作指令，将在第4、5章详细介绍各个逻辑操作指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

2、移位操作指令

      有6条指令：sll、sllv、sra、srav、srl、srlv。实现逻辑左移、右移、算术右移等运算。本书设计的处理器实现了所有移位操作指令，将在第5章详细介绍各个移位操作指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

3、移动操作指令

      有6条指令：movn、movz、mfhi、mthi、mflo、mtlo，用于通用寄存器之间的数据移动，以及通用寄存器与HI、LO寄存器之间的数据移动。本书设计的处理器实现了所有移动操作指令，将在第6章详细介绍各个移动操作指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

4、算术操作指令

      有21条指令：add、addi、addiu、addu、sub、subu、clo、clz、slt、slti、sltiu、sltu、mul、mult、multu、madd、maddu、msub、msubu、div、divu，实现了加法、减法、比较、乘法、乘累加、除法等运算。本书设计的处理器实现了所有算术操作指令，将在第7章详细介绍各个算术操作指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

5、转移指令

      有14条指令：jr 、jalr 、j 、jal、b、bal、beq、bgez、bgezal、bgtz、blez、bltz、bltzal、bne，其中既有无条件转移，也有条件转移，用于程序转移到另一个地方执行。本书设计的处理器实现了所有转移指令，将在第8章详细介绍各个转移指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

6、加载存储指令

      有14条指令：lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr、sb、sc、sh、sw、swl、swr，以“l”开始的都是加载指令，以“s”开始的都是存储指令，这些指令用于从存储器中读取数据，或者向存储器中保存数据。本书设计的处理器实现了所有加载存储指令，将在第9章详细介绍各个加载存储指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

7、协处理器访问指令

      有2条指令：mtc0、mfc0，用于读取协处理器CP0中某个寄存器的值，或者将数据保存到协处理器CP0中的某个寄存器。本书设计的处理器实现了所有协处理器访问指令，将在第10章详细介绍协处理器、协处理器访问指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

8、异常相关指令

      有14条指令，其中有12条自陷指令，包括：teq、tge、tgeu、tlt、tltu、tne、teqi、tgei、tgeiu、tlti、tltiu、tnei，此外还有系统调用指令syscall、异常返回指令eret。本书设计的处理器实现了所有异常相关指令，将在第11章详细介绍异常相关指令的格式、作用、用法，及其实现过程。

9、其余指令

      有4条指令：nop、ssnop、sync、pref，其中 nop是空指令，ssnop是一种特殊类型的空指令，sync指令用于保证加载、存储操作的顺序，pref指令用于缓存预取。本书设计的处理器对这4条指令进行了简化并加以实现，将在第5章详细介绍简化后的实现过程。

 

1.4.6 寻址方式

      MIPS32架构的寻址模式有寄存器寻址、立即数寻址、寄存器相对寻址和PC相对寻址四种。其中寄存器相对寻址、PC相对寻址介绍如下。

      （1）寄存器相对寻址

      这种寻址模式主要是加载/存储指令使用，其将一个16位的立即数做符号扩展，然后与指定通用寄存器的值相加，从而得到有效地址，如图1-6所示。

      （2）PC相对寻址

      这种寻址模式主要是转移指令使用，在转移指令中有一个16位的立即数，将其左移两位并作符号扩展，然后与程序计数寄存器PC的值相加，从而得到有效地址。如图1-7所示。

1.4.7 协处理器CP0

      协处理器一词通常用来表示处理器的一个可选部件，负责处理指令集的某个扩展，拥有与处理器相独立的寄存器。MIPS32架构提供了最多4个协处理器，分别是CP0-CP3。协处理器CP0用作系统控制，CP1、CP3用作浮点处理单元，而CP2被保留用于特定实现。除CP0外的协处理器都是可选的。

协处理器CP0的具体作用有：配置CPU工作状态、高速缓存控制、异常控制、存储管理单元控制等。CP0通过配置内部的一系列寄存器来完成上述工作。本书设计的处理器实现了CP0的部分功能，将在第10章详述。

1.4.8 异常

      在处理器运行过程中，会从存储器中依次取出指令，然后执行，但是有一些事件会打断正常的程序执行流程，这些事件有中断（Interrupt）、陷阱（Trap）、系统调用（System Call）等等，统称为异常。异常发生后，处理器会转移到一个事先定义好的地址，在那个地址有异常处理例程，在其中进行异常处理，这个地址称为异常处理例程入口地址。异常处理完成后，使用异常返回指令eret，返回到异常发生前的状态继续执行。本书设计的处理器实现了对硬件复位、中断（包含软中断、硬中断）、syscall系统调用、无效指令、溢出、自陷等6种异常的处理，将在第11章详述。