CPU之路——处理器与MIPS

1971年11月15日，Intel发布了世界上第一款单芯片微处理器4004

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一、计算机模型（冯·诺依曼体系结构）

• 计算机的数制(指令和数据)采用二进制

• 程序存储在计算机中，计算机执行程序时，将自动地从主存储器中取出指令一条一条地顺序执行程序

• 计算机五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

二、架构与指令集

1、指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）= 指令集 + 寄存器      将编程所需了解的硬件信息从硬件系统中抽象出来。

2、微架构(Microarchitecture)是ISA的具体实现。如Intel处理器遵循X86的ISA，但每款处理器都有自己的微架构。

3、ISA——设计规范                  M——具体实现

4、ISA可分为CISC与RISC

• CISC复杂指令集：早期内存资源受限，设计者尽可能地设计出一条指令完成复杂功能，以减少对内存的访问，进而提高执行效率。

1. 每条指令对应01编码串长度不一
2. 指令使用率低、电路复杂
3. 独立编址：访问外设IN   OUT            访问内存MOV

• RISC精简指令集：由于CISC的二八定率与半导体技术的突飞猛进，设计者尽可能使计算机结构简单，运算效率更高。

1. 每条指令对应01编码串长度固定
2. 指令格式种类少、寻址方式种类少、大量使用寄存器
3. 统一编址：访问外设与访问内存指令相同

5、主流ISA

处理器架构	含义	指令集	公司	主要应用场景
X86	The X86 architecture	CISC	Intel	个人电脑
ARM	Advanced RISC Machines	RISC	ARM	嵌入式
SPARC	Scalable Processor ARChitecture（可扩展处理器架构）	RISC	SUN	服务器、工作站、航天
POWER	Performance Optimization with Enhanced RISC	RISC	IBM	服务器、工作站
MIPS	Microprocessor without Interlocked Piped Stages（无内锁流水线微处理器）	RISC	MIPS、龙芯	工作站、服务器

三、MIPS指令集架构

1、数据类型

2、寄存器：存取可在一个时钟周期内完成。MIPS寄存器除加载/存储指令外都是使用寄存器或立即数作为操作数的

• 通用寄存器（32个32位）：$0~$31

• 特殊寄存器（3个）：PC（程序计数器）、HI（乘除结果高位寄存器、乘法：结果高32位  除法：余数）、LO（乘除结果低位寄存器、乘法：结果低32位  除法：商）

3、字节次序：数据在存储器中按字节存放，处理器按字节访问存储器

• 大端模式：数据高位放在低地址空间、数据低位放在高地址空间

• 小端模式：数据高位放在高地址空间、数据低位放在低地址空间

4、指令格式：MIPS32架构所有指令都是32位的 （OP指令码    FUNC功能码）

• R型指令

• I型指令

• J型指令

 5、指令集(汇编)

• 逻辑操作     移位操作     移动操作     算术操作
• 转移     加载存储      协处理器访问     异常相关     其他

6、寻址方式

• 寄存器寻址
• 立即数寻址
• 寄存器相对寻址（加载/存储指令）

• PC相对寻址（转移指令）

7、协处理器CP0

8、异常

• 中断
• 陷阱
• 系统调用