实验2：MIPS指令系统和MIPS体系结构

实验2：MIPS指令系统和MIPS体系结构

一.实验目的

• （1）了解和熟悉指令级模拟器
• （2）熟悉掌握MIPSsim模拟器的操作和使用方法
• （3）熟悉MIPS指令系统及其特点，加深对MIPS指令操作语义的理解
• （4）熟悉MIPS体系结构

二. 实验内容和步骤

首先要阅读MIPSsim模拟器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系统。
（1）、启动MIPSsim。
（2）、选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作在非流水方式。
（3）、参照使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。
（4）、选择“文件”->“载入程序”选项，加载样例程序 alltest.asm，然后查看“代码”窗口，查看程序所在的位置。
（5）、查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：[PC]= 0x00000000 。

（6）、执行load和store指令，步骤如下：
1)单步执行一条指令（F7）。

{,立即数用补码形式存放； ADDIU :$r8,$r0,128
ADDIU是GPR和立即数做无符号加法操作,但立即数字段是有符号的，所以需要做符号扩展。r8=r0+124}

2)下一条指令地址为 0x00000004 ，是一条 有 (有，无)符号载入 字节 (字节，半字，字)指令(LB从存储器中读取一个字节的数据到寄存器中，读出的是带符号的数据)
3)单步执行一条指令（F7）。

4)查看R1的值，[R1]= 0xFFFFFFFFFFFFFF80 (十进制为：-128) 。

{一个字节的范围带符号的就是
-128到+127，16进制的80转换成十进制为+128，一个字节的范围为-128~+127；16进制的80转换成二进制为10000000，补码表示法得知
10000000 就是-128的补码咯 }

5)下一条指令地址为 0x00000008 ，是一条 无 (有，无)符号载入 字 (字节，半字，字)指令。{LW:从存储器中读取一个字的数据到寄存器中}
6)单步执行1条指令。

7)查看R1的值，[R1]= 0x0000000000000080 （二进制的值为：128） 。
8)下一条指令地址为 0x0000000C ，是一条 无 (有，无)符号载入 字节 (字节，半字，字)指令。
{LBU功能与LB指令相同，但读出的是不带符号的数据}
9)单步执行1条指令。

10)查看R1的值，[R1]= 128(十进制) /0x0000000000000080 （十六进制） 。
11)单步执行1条指令。

12)下一条指令地址为 0x00000014 ，是一条保存 字 (字节，半字，字)指令。
13）单步执行一条指令。
14）查看内存BUFFER处字的值，值为 0X00000080 。

(7)、执行算术运算类指令。步骤如下：
1）双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为2。
2）双击“寄存器”窗口中的R2，将其值修改为3。
3）单步执行一条指令。
4）下一条指令地址为 0x00000020 ，是一条加法指令。
5）单步执行一条指令。

6）查看R3的值，[R3]= 5

7）下一条指令地址为 0x00000024 ，是一条乘法指令。
8）单步执行一条指令。

9）查看LO、HI的值，[LO]= 0x0000000000000006 ，[HI]= 0x0000000000000000 。
(8)、执行逻辑运算类指令。步骤如下：
1）双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为0xFFFF0000。
2）双击“寄存器”窗口中的R2，将其值修改为0xFF00FF00。
3）单步执行一条指令。

4）下一条指令地址为 0x00000030 ，是一条逻辑与运算指令，第二个操作数寻址方式是 寄存器直接寻址 （寄存器直接寻址，立即数寻址）。
5）单步执行一条指令。
6）查看R3的值，[R3]= 0x00000000FF000000 。
7）下一条指令地址为 0x00000034 ，是一条逻辑或指令，第二个操作数寻址方式是 立即数寻址 （寄存器直接寻址，立即数寻址）。
8）单步执行一条指令。
9）查看R3的值，[R3]= 0x0000000000000000 。
(9)、执行控制转移类指令。步骤如下：
1）双击“寄存器”窗口中R1，将其值修改为2。
2）双击“寄存器”窗口中R2，将其值修改为2。
3）单步执行一条指令。

4）下一条指令地址为 0x00000040 ，是一条BEQ指令,其测试条件是 两个操作数相等 。
5) 单步执行1条指令。
6) 查看PC的值，[PC]= 0x0000004C ，表明分支 成功 （成功，失败）。
7) 一条指令是一条BGEZ指令，其测试条件是 大于等于零转移 ，目标地址为 0x00000058 。
8) 单步执行1条指令。
9) 查看PC的值，[PC]= 0x00000058 ，表明分支 成功 (成功，失败）。
10) 下一条指令是一条BGEZAL指令，其测试条件是 大于等于零转移并链接 ，目标地址为 0x00000064 。
11) 单步执行1条指令。

12) 查看PC的值，[PC]= 0x00000068 ，表明分支 成功 （成功，失败）；查看R31的值，[R31]= 92 。
13) 单步执行1条指令。
14）查看R1的值，[R1]= 116 。
15）下一条指令地址为 0x00000068 ，是一条JALR指令，保存目标地址的寄存器为R1 ，保存返回地址的目标寄存器为R3。
16）单步执行1条指令。

17）查看PC和R3的值，[PC]= 0x00000074 ，[R3]=108 。

三、实验结果分析

实验结果分析
ADDIU :$r8,$r0,124 ADDIU是GPR和立即数做无符号加法操作,但立即数字段是有符号的，所以需要做符号扩展。r8=r0+124
LB $r1,0($r8) 从存储器中r8读取一个字节的数据（带符号）到寄存器中r1
LW $r1,0($r8) 从存储器中r8读取一个字的数据（不带符号）到寄存器中r1
LBU $r1,0($r8) 从存储器中r8读取一个字节的数据（不带符号）到寄存器中r1
ADDIU :$r8,$r0,128 ADDIU是GPR和立即数做无符号加法操作,但立即数字段是有符号的，所以需要做符号扩展。r8=r0+128
SW $r1,0($r8)：把一个字的数据从寄存器存储到存储器中
BEQ ,$r0, $r0,PROG2：条件转移指令，当两个寄存器内容相等时转移发生
-》》》跳转到PROG2
DADD $r3 $r1 $r2把两个定点寄存器的内容相加，也就是定点加$r3 =$r1+ $r2 =128
DMULT $r1 $r2两个定点寄存器的内容相乘，也就是定点乘r1=128r2=0BEQ,$r0, $r0,PROG3：条件转移指令，当两个寄存器内容相等时转移发生
-》》》跳转到PROG3
AND $r3 $r1 $r2与运算，两个寄存器中的内容相与($r3=$r1 & $r2) r1=128 r2=0 r3=0 两位同时为“1”，结果才为“1”，否则为0
ANDI $r3 $r10一个寄存器中的内容与一个立即数相与BEQ,$r0, $r0,PROG4：条件转移指令，当两个寄存器内容相等时转移发生
-》》》跳转到PROG4
BEQ $r1 $r22条件转移指令，当两个寄存器内容相等时转移发生,$r1不等于$r2不发生
SLL $r0 $r0 0 逻辑左移
SLL $r0 $r0 0 逻辑左移
BGEZ $r1 2 跳转指令
-》》》跳转到label2
BGEZAL $r1 2 条件转移指令
-》》》跳转到label3
ADDIU $r1 $r0 116 r1=r0+116=116
JALR $r3 $r1 使用寄存器的跳转指令，并且带有链接功能，指令的跳转地址在寄存器中，跳转发生时指令的放回地址放在R31这个寄存器中
Teq :异常相关指令

四.实验心得

MIPSsim模拟器的基础操作以及使用方法；单步执行，程序的载入，以及配置方式中的流水；熟悉MIPS指令系统；加深对MIPS指令操作语义的理解;并对代码区，寄存器进行了剖析，但是对时钟周期内存这部分理解的还不是很清晰；在以后的实验中解决；思考了LB,字节，字，双字，以及无符号如何查看，以及buffer如何查看内容；然后通过对对代码区中的符号指令进行了自我学习；以及对ARM进行了很好的温习；认识LW,LB,LU,ADDU,ADDIU,SLL,MUL,BEQ,等简单的指令的含义进行了分析；但是仍然存在部分的寄存器值的变化未清楚其详细步骤；在接下来的继续环节中需要弄懂；