计算机组成原理（4.3）—— MIPS指令系统（RSIC）

• 前一篇文章分析了指令系统（ISA）的设计方法，这里以MIPS指令系统为例进行分析
• 前文链接：计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计

---

一、MIPS架构基础

• 1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权，广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。
• 并行化程度：流水线
• 指令集类型：RISC

1. 寄存器数据指定

（1）MIPS架构中的寄存器安排

1. 32位通用寄存器GPRs：
   • 31+1个（r0是机器零）
   • 寄存器编号5位
2. 32位浮点寄存器：
   • 32个：$f0~$f31
   • 可以两个一起拼成64位的
3. 专用特殊寄存器
   • 无需编号
   • HI, LO, PC等

（2）寄存器名称、编号和功能

• 通用寄存器汇总表
  
• 寄存器的汇编表示用$符号，可以接名称或编号（如$a0和$4都表示寄存器a0)
• 在MIPS指令字中，用5位二进制编码指示通用寄存器
• 被调用函数把值保存在s0~s7，被掉函数结束后调用函数还可以用这些值；如果存在t0~t7就不能用了（C翻译汇编时要小心）

2. 存储器数据指定

• 32位机器：可访问主存空间: 2^32bytes（4GB）
• MIPS使用装入-存储型指令风格：运算的操作数只能是寄存器，只能通过Load/Store指令访问存储器数据
• 数据地址通过一个32位寄存器内容（基地址）加16位偏移量得到，16位偏移量是带符号整数，故应符号扩展
• 数据要求按边界对齐（地址是4的倍数）
• Big Endian(大端方式)或小端
  

二、操作数类型和表示方式

1. 操作数类型

2. 操作数表示方式

三、指令格式

• 指令字长度：定长指令字，32位宽。
  • 须按字地址对齐（字地址为4的倍数，即指令地址的最后两位为0）
• 操作码长度：定长操作码编码（op段），6位宽。
  • 一般通过对操作码进行不同的编码来定义；
  • 操作码相同时，再由功能码（func段）进行区分（例如MIPS的R型指令）

1. R型指令

• 两个操作数和结果都在寄存器
• R型指令功能：
  1. 运算指令：包括各种算数、逻辑、移位运算。R型指令基本都是运算指令
  2. 控制转移指令：有jr和jalr

2. I型指令

• 一个操作数是立即数，另一个操作数和结果在寄存器
• 16位的立即数需要扩展到32位参与运算，依据具体指令不同可能要进行符号扩展或零扩展
• I型指令功能：
  1. 运算指令：类似R型指令，只是源操作数之一通过立即数给出
  2. 访存指令：LOAD系列和STORE系列指令。寄存器RS给出基地址，16位立即数（符号扩展）给出偏移量
  3. 条件分支指令：如beq/bne等。比较RS和RT寄存器的值，16位立即数（符号扩展）给出目标指令和当前指令偏差的条数

3. J型指令

• 操作数只有一个直接地址（用来控制跳转）
• J型指令功能：
  1. 控制转移：转移到target address所指示的指令执行
• 目标地址的构成
  1. 32位MIPS机器中，指令储存时按字地址（4字节）对齐，所有指令地址均为4的倍数，故其最后两位总为0
  2. 下图是MIPS架构的memory map，其中Text段用于存储指令，可见指令地址范围是0x0040_0000到0x0FFF_FFFC，高四位恒为0。为了避免Text段浮动导致问题，我们直接用pc寄存器（当前指令）的高四位作为目标指令的高四位
     
  3. 综上，目标指令地址为：pc高四位 + 26位target address + 0000，共32位

4. 汇编指令和机器码指令字示例

• 从以下两个示例表中，可以看出汇编语言到机器指令的一一对应关系。汇编语言本质上就是和机器指令一一对应的，类似助记符的一种语言

（1）MIPS汇编示例

（2）机器码指令字示例

（3）汇编和反汇编

1. 汇编：把汇编指令翻译为机器码
   

2. 反汇编：把机器码翻译为汇编指令
   

四、寻址方式

• MIPS不同于IA-32，没有专门的寻址方式字段，各操作数的具体寻址方式由指令格式确定，而指令格式由 op来确定

1. R型指令的寻址

2. I型指令的寻址

3. J型指令的寻址

五、程序的机器级表示

1. 算术和逻辑运算指令

• 没有全部列出，还有其他指令，如addu（不带溢出处理）， addiu 等
• x86 / IA-32没有分add还是addu，因为它只产生各种标志(PSW)，由软件根据标志信息来判断是否溢出。而MIPS是由硬件直接判溢出与否，要告诉CPU处不处理理溢出
  
• 示例

//示例1：假定给 f, g, h, i, j分别分配 $s1, $s2, $s3, $s4, $s5
f = (g+h)-(i+j);

add $t0, $s2, $s3
add $t1, $s4, $s5  
sub $s1, $t0, $t1

//示例2：16位有符号立即数[-32768,32767]
f = (g+100) - (i+50);

addi $7, $2, 100  
addi $8, $4, 50  
sub $1, $7, $8

//示例3：出现的常数超过16位有符号数范围
f = (g+65000) - (i+50) 

addi $7, $2, 65000	//错了，因为超过16位立即数表示范围
addi $8, $4, 50
sub $1, $7, $8

lui	$3, 0x0  		//正确写法
ori	$3, 0Xfde8
addi $8, $4, 50
sub $1, $7, $8

2. 访存指令

• 为什么指令必须支持不同长度的操作数：因为高级语言中的数据类型有char，short，int，long,……等，故需要存取不同长度的操作数；

• 指令中操作数长度由什么决定：由不同的操作码指定

• 示例

  //A是100个字的数组（32位），g在$1, h在$2, A基址在$3
  g = h + A[8];
  
  lw $4, 32($3)  	//注意是4*8 = 32
  add $1, $2, $4
  

• 如果在一个循环体内执行：g = h + A[i]，则能否用基址寻址方式：不行，因为循环体内指令不能变，故首地址A不变，只能把下标 i 放在变址寄存器中，每循环一次下标加1，所以，不能用基址方式而应该用变址方式

  1. 基址寻址是：基址是寄存器给出的，偏移是立即数定值；
  2. 变址寻址是：基址是立即数定值，偏移是寄存器给出的
     

//A是100个字的数组（32位），g在$1, i在$5, A基址在$3
g = g+A[i]

3. 分支转移指令

4. 伪指令

5. 过程调用

1. 过程调用的执行步骤（假定过程P调用过程Q）
   

2. MIPS中用于过程调用的指令：beq、j、jr、jal、一些伪指令…

3. 少量过程调用信息用寄存器传递
   

4. 如果过程中用到的参数超过4个，返回值超过2个，怎么办

   • 更多的参数和返回值要保存到存储器的特殊区域中
   • 这个特殊区域为：栈(Stack)
   • 一般用“栈”来传递参数、保存返回地址，并用来临时存放过程中的局部变量等。这样可以实现嵌套和递归调用

（1）MIPS中的栈

• 栈的基本概念
  
• MIPS中栈的实现

• 栈帧
  

（2）调用过程（假定P调用Q）

• 程序可访问的寄存器组是所有过程共享的资源，给定时刻只能被一个过程使用 ，因此过程中使用的寄存器的值不能被另一个过程覆盖！（主调过程使用的寄存器，被调过程要么不用，要么用完之后返回前把值还回去）

• MIPS的寄存器使用约定

  1. 保存寄存器$s0 ~$s7的值在从被调用过程返回后还要被用，被调用者需要保留
  2. 临时寄存器$t0 ~$t9的值在从被调用过程返回后不需要被用（需要的话，由调用者保存） ，被调用者可以随意使用
  3. 参数寄存器$a0~$a3在从被调用过程返回后不需要被用（需要的话，由调用者保存在栈帧或其他寄存器中），被调用者可以随意使用
  4. 全局指针寄存器$gp的值不变
  5. 帧指针寄存器$fp用栈指针寄存器$sp-4来初始化

• 需在被调用过程Q中入栈保存的寄存器（称为被调用者保存）

  1. 返回地址$ra (如果Q又调用R，则$ra内容会被破坏，故需保存)
  2. 保存寄存器$s0 ~$s7(Q返后P可能还会用到，Q中用的话就被破坏，故需保存)
  3. 除了上述寄存器以外，所有局部数组和结构体等复杂类型变量也要入栈保存
  4. 如果局部变量和临时变量发生寄存器溢出（寄存器不够分配），则也要入栈

• 各处理器对栈帧规定的 ”调用者保存” 和 ”被调用者保存” 的寄存器可能不同

• 过程调用时MIPS中栈和栈帧的变化
  
  

• 过程调用协议
  

（3）调用的示例

1. swap函数示例

   1. 现有swap函数如下，主函数caller要调用它

      swap(int v[ ], int k)
      {
               
      	int temp;  
      	temp = v[k];  
      	v[k] = v[k+1];  
      	v[k+1] = temp;
      }
      

   2. temp对应$t0（局部变量），变量v 和 k分别对应$a0和$a1（传入参数）

   3. 根据C语言的逻辑，可以写出以下核心逻辑代码

      sll	$s2, $a1, 2		; $a1=k, mulitply k by 4
      addu $s2 $s2, $a0	; address of v[k]
      lw $t0, 0($s2)		; load v[k]
      lw $s3, 4($s2)		; load v[k+1]
      sw $s3, 0($s2)		; store v[k+1] into v[k]
      sw $t0, 4($s2)		; store old v[k] into v[k+1]
      

      分析这段程序，swap用到了$t0，$s2和$s3，所以caller中这三个寄存器的值被破坏。根据约定，$t0由caller自己保护，$s2和$s3需要在swap中保护

   4. 使用jal swap指令调用swap函数。等价于执行以下两条指令

      //jal swap
      $31 = PC+4		; $31=$ra  
      goto swap
      

   5. 程序执行顺序如下
      

   6. 加上保护寄存器和返回指令，完整程序如下
      

   7. 如果swap是叶子过程,无需保存返回地址到栈中。因为$ra的内容不会被破坏；如果将所有内部寄存器都用临时寄存器 (如$t1等)，则叶子过程swap的栈帧为空，且上述黑色指令都可去掉

2. 嵌套调用示例

   1. 原始C程序

      int i;				// 全局变量
      void set_array(int num)
      {
               
      	int array[10];	// 局部变量
      	for (i = 0; i < 10; i ++) 
      		arrar[i] = compare (num, i);
      }
      
      int compare (int a, int b)
      {
               
      	if (sub (a, b) >= 0)
      		return 1;	
      	else
      		return 0;
      }
      
      int sub (int a, int b)
      {
               
      	return a-b;
      }
      

   2. 过程调用时的变量分配

      1. 全局变量一般分配到寄存器或R/W存储区。

      2. 该例中只有一个简单变量i，假定分配给$s0。无需保存和恢复！

      3. 为减少指令条数，并减少访问内存次数，在每个过程的过程体中总是先使用临时寄存器$t0~$t9；临时寄存器不够或者某个值在调用过程返回后还需要用，就使用保存寄存器$s0~$s7 。

   3. set_array过程的栈帧分析

      1. 入口参数为num，没有返回参数，有一个局部数组，被调用过程为compare，因此，其栈帧中除了保留所用的保存寄存器外，必须保留返回地址（因为set_array不是叶过程）
      2. 是否保存$fp要看具体情况，如果确保后面都不用到$fp，则可以不保存，但为了保证$fp的值不被后面的过程覆盖，通常情况下，应该保存$fp的值，并给局部数组(int array[10]) 预留4×10=40个字节的空间。
      3. 从过程体来看，从compare返回后还需要用到数组基地址，故将其分配给$s1。因此要用到的保存寄存器有两个：$s0和$s1，但只需将$s1保存在栈帧中（$s0保存全局变量i不用保护），另外加上返回地址$ra (因为已经保存了前一个函数的返回地址)，帧指针$fp(因为已经保存了前一个栈帧的尾地址)、局部数组，其栈帧空间最少为3×4+40=52B。

   4. compare过程的栈帧分析

      1. 入口参数为a和b，仅一个返回参数，没有局部变量，被调用过程为sub。 过程体中没用到保存寄存器，所以，其栈帧中只需保留返回地址$ra和$fp的值

   5. sub过程的栈帧分析：叶子过程，其栈帧为空

   6. 栈的变化示意图
      

6. 翻译C语言示例

1. 判断等于

   //i, j, f, g, h, 分别存在 $s1, $s2, $s3, $s4, $s5
   if (i == j)
   	f = g+h ;
   else
   	f = g-h ;
   
   //翻译为汇编
   		bne $s1, $s2, else	//与C语句相反, i!=j, jump to else  
   		add $s3, $s4, $s5
   		j	exit			//jump to exit  
   else:	sub $s3, $s4, $s5
   exit:
   

2. Loop循环

   //g, h, i, j ~ $1, $2, $3, $4 and base address of array is in $5
   //数组元素为int类型，sizeof(int)=4
   Loop:	g = g +A[i];
   		i = i+ j;
   		if (i != h) go to Loop:
   
   //翻译为汇编
   Loop:	add $7, $3, $3		//i*2，加法快
   		add $7, $7, $7  	//i*4, 得到偏移量，也可用移位
   		add $7, $7, $5  	//加上数组基地址
   		lw $6, 0($7)  		// $6=A[i]
   		add $1, $1, $6  	//g= g+A[i]
   		add $3, $3, $4		//i = i+j;
   		bne $3, $2, Loop	//程序员不必计算分支指令的地址，而只要用标号即可！汇编 器完成地址计算
   

   • 注意最后一句bne $3,$2,Loop怎么翻译机器码。注意imm16的值一定是相对下一条指令说的