深入浅出MIPS 〇 序章

　　信息时代的世界，有着光鲜亮丽的外壳。Web2.0的时代，搜索引擎，SNS，流媒体...这绚丽多彩的一切，流光溢彩，仿佛云霓灿烂。
　　剥去这光鲜的外壳，深入到底层的世界。内核，体系结构，编译器...完全是0和1组成的黑白世界，初涉之难免觉得味同嚼蜡。
　　但是，正如单一的白光在三棱镜下，会绽放出七彩的光谱，黑白的计算机底层世界，却有着魔法一般丰富的内涵。当我们看穿华丽的GUI界面的伪装，探究到内核的奥秘时，我们会发现这是一个迷人的微观世界。这个美丽新世界，最具魅力的是哪些呢？
　　体系结构。它是计算机系统的基石。它从根本上决定了这个系统的性能。当程序中出现错误时，对体系结构的理解，能大大加快Bug的定位。体系结构是底层世界的根基。
　　操作系统。它是计算机系统的灵魂。操作系统屏蔽了底层硬件的差异，为上层软件提供了统一的API。多任务操作系统还可以让计算机并行处理不同的任务，巧妙的设计可以发挥CPU最大的潜力。目前的最新操作系统版本，还可以支持多CPU并发处理。操作系统内核是底层世界的统治者。
　　编译器。编译器是体系结构的翻译官。它能够将高级语言翻译成机器指令，与操作系统提供的API接口连接，开发出各种应用程序。好的编译器还可以针对硬件做优化。编译器是底层世界的一把金钥匙。

　　体系结构，操作系统，编译器支撑起的系统，如同三只足支撑的一只鼎。操作系统中的经典之作，是Linux；对应的编译器是gcc系列工具链。关于这些的著作早已汗牛充栋。我想给大家介绍的，是体系结构皇冠上的明珠——MIPS。

　英国科学家Dominic Sweetman(经典著作See MIPS Run的作者)，称MIPS为“高效的RISC体系结构中最优雅的一种体系结构”。它是一个双关语：即是Microcomputer without Interlocked Pipeline Stages的缩写，同时又是Millions of Instructions Per Second的缩写。
　　MIPS的处理单元是一个五级流水线：Instruction Fetch, Register & Decoder, ALU, Memory以及Write back。一开始的MIPS是为32位系统设计的，实际上，后续的64位扩展，也依然对32位的工作模式向下兼容着。一如其他的RISC处理器，MIPS的每条指令长度是固定的32bit。（因此，最长的局部跳转指令只能跳转2的26次方Byte，也就是2的24次方，16777216条指令）
　　MIPS有32个通用寄存器，编程者可以使用其中除$0外的所有寄存器暂存数据。$0寄存器，在硬件上被设计为永远读出0。我们可以用$0寄存器的此特性，实现一些技巧性的编程，譬如实现NOP操作。MIPS本没有NOP指令，但由于对$0寄存器的写入实际上无意义，可以作为空操作使用。
　　事实上，编译器从高级语言（典型如C/C++）转换为MIPS汇编指令时，一般总是遵守一定的寄存器使用约定。某些寄存器用来从函数中传入和传出参数，存储临时数据，另一些则起特殊作用，如保存调用函数时的指令地址，或作为堆栈指针等。如果你使用汇编开发，理论上可以无视这点约定，但是，一般地，遵守这个约定，与人方便，也为己方便。关于寄存器使用的约定，以后会展开论述。
　　一如所有的RISC处理器，MIPS没有CISC那样复杂多变的寻址方式，统一为Load/Store寻址。任何载入和存储操作，都可写为如下形式：
　　lw $1, offset ($2)
　　这条指令的操作符可以为Load或Store，一次Load/Store操作的范围可以为字/半字/字节（对应gcc的int, short和char）。偏移量是一个带符号的16bit整数。两个作为操作数的寄存器可以是任何通用寄存器。（你可以向$0写入，但无任何意义，等同于空操作）。对于64位模式下，也可以对double类型进行操作。注意Load/Store都必须对应一个对齐的地址，否则会引发一个异常(Exception)。
　　MIPS支持最多4个协处理器。协处理器CP0为CPU的控制协处理器，是体系结构中必须实现的。CP1为浮点处理器。CP2保留，各生产厂商往往用来实现一些自己的特色功能，例如RMI的Fast Message Ring等。CP3原本也是保留共扩展用，但很多MIPS III和MIPS IV时代的扩展指令集使用了它。对于CP0，我们会有专门的一段用来讨论。
　　为适应处理器向多核时代的演进，MIPS引入了多核操作必要的原子指令(Atomic operation)、内存屏障(Barrier)等操作。在SMP或AMP等多核架构中，这些指令是并行计算同步的保障。