MIPS构架简介

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MIPS构架简介

MIPS体系结构首先是一种RISC架构
1 MIPS32架构中有32个通用寄存器，其中$0(无论你怎么设置，这个寄存器中保存的数据都是0)和$31(保存函数调用jal的返回地址)有着特殊的用途，其它的寄存器可作为通用寄存器用于任何一条指令中。
虽然硬件没有强制性的指定寄存器使用规则，在实际使用中，这些寄存器的用法都遵循一系列约定。这些约定与硬件确实无关，但如果你想使用别人的代码，编译器 和操作系统，你最好是遵循这些约定。
寄存器编号 助记符 用法
0 zero 永远返回值为0
1 at 用做汇编器的暂时变量
2-3 v0, v1 子函数调用返回结果
4-7 a0-a3 子函数调用的参数
8-15 t0-t7
24-25 t8-t9 暂时变量，子函数使用时不需要保存与恢复
16-23 s0-s7 子函数寄存器变量。子函数必须保存和恢复使用过的变量在函数 返回之前，从而调用函数知道这些寄存器的值没有变化。
26,27 k0,k1 通常被中断或异常处理程序使用作为保存一些系统参数
28 gp 全局指针。一些运行系统维护这个指针来更方便的存取“static“和”extern" 变量。
29 sp 堆栈指针
30 s8/fp 第9个寄存器变量。子函数可以用来做桢指针
31 ra 子函数的返回地
2 MIPS32中如果有FPA(浮点协处理器)，将会有32个浮点寄存器，按汇编语言的约定为$f0~$f31,MIPS32中只能实用偶数号的浮点寄存器，奇数号的用途是：在做双精度的浮点运算时，存放该奇数号之前的偶数号浮点寄存器的剩余无法放下的32位。比如在做双精度的浮点运算时，$1存放$0的剩余的部分，所以在MIPS32中可以通过加载偶数号的浮点寄存器而把64位的双精度数据加载到两个浮点寄存器中，每个寄存器存放32位。
比如：
l.d $02, 24(t1)
被扩充为两个连续的寄存器加载：
lwc1 $f0, 24(t1)
lwc1 $f1, 28(t1)
3 MIPS架构中没有X86中的PC(程序计数)寄存器，它的程序计数器不是一个寄存器。因为在MIPS这样具有流水线结构的CPU中，程序计数器在同一时刻可以有多个给定的值，如
jal指令的返回地址跟随其后的第二条指令。
...
jal printf
move $4, $6
xxx # return here after call
MIPS32中也没有条件码，比如在X86中常见的状态寄存器中的Z、C标志位在MIPS32中是没有的，但是MIPS32中是有状态寄存器
4 MIPS32中不同于其它的RISC架构的地方是其有整数乘法部件，这个部件使用两个特殊的寄存器HI、LO，并且提供相应的指令 mfhi/mthi,mthi/mtlo来实现整数乘法结果--hi/lo寄存器与通用寄存器之间的数据交换
5 数据加载与存储
MIPS CPU可以在一个单一操作中存储1到8个字节。文档中和用来组成指令助记符的 命名约定如下：
C名字 MIPS名字 大小(字节) 汇编助记符
long long dword 8 "d"代表ld
int/long word 4 "w"代表lw
short halfword 2 "h"代表lh
char byte 1 "b"代表lb
5.1数据加载
包括这样几条记载指令LB/LBU、LH/LHU、LW
byte和short的加载有两种方式。带符号扩展的lb和lh指令将数据值存放在32位寄存器的低位中，剩下的高位用符号位的值来扩充(位7如果是一个byte，位15如果是一 个short)。这样就正确地将一个带符号整数放入一个32位的带符号的寄存器中。
不带符号指令lbu和lhu用0来扩充数据，将数据存放纵32位寄存器的低位中，并将高位用零来填充。
例如，如果一个byte字节宽度的存储器地址为t1，其值为0xFE(-2或254如果是非符
号数)，那么将会在t2中放入0xFFFFFFFE(-2作为一个符号数)。t3的值会是0x000000FE(254作
为一个非符号数)
lb t2, 0(t1)
lbu t3, 0(t1)
5.2数据存储
包括这样几条指令SB、SH、SW
由于加载就是把寄存器中的数据加载到内存中，所以不存在位扩展的问题。
6 CP0 (协处理器0)--MIPS处理器控制
用于控制和设置MIPS CPU，里面包含了一些寄存器，同过对这些寄存器的不同的位的操作可以实现对处理器的设置
CP0类似于X 86只能有内核 (高优先级权限)访问的一些处理器资源
而前面提到的通用寄存器GPR和FPR则可以有由所有的优先级权限访问
CP0提供了中断异常处理、内存管理(包括CACHE、TLB)、外设管理等途径(而这些只能由高优先级的内核才能访问到)。
6.1常见的MIPS CPU控制寄存器包括：
SR( 状态寄存器) 12
Config (CPU参数设置寄存器)-16
EPC (例外程序寄存器)13、 CAUSE(导致中断和异常的原因寄存器) 14、BadVaddr(地址错误时存放地址的寄存器)8
Index-0、Random-1、EntryLo0-2、EntryLo1-3、EntryHi-10、PageMask
Count-9、Compare-11共同组成了高精度的时钟
6.2CP0寄存器的访问指令
mtc0 ts, #把通用寄存器 ts中的数据送到协处理器0中的寄存器nn
mfc0 ts, #把送到协处理器0中寄存器 nn 的值送到通用寄存器ts
dmtc0 ts, #把通用寄存器 ts中的数据送到协处理器0中的寄存器nn
dmfc0 ts, #把送到协处理器0中寄存器 nn 的值送到通用寄存器ts
6.3起作用的寄存器及其作用时机
加电后：你需要设置SR和Config寄存器，以确保CPU进入正确的引导状态，并且SR寄存器还设置了中断码。以决定系统响应哪些中断。
进入任何异常：处理任何例外都会调用一个“通用异常处理程序”。MIPS体系并没有为进入异常作任何的寄存器保存，也没有关于堆栈方面的任何支持，进入异常时唯一保存的就是异常返回地址保存在EPC中。所以这些都需要操作系统的软件实现。操作系统可以使用K0或者K1寄存器作为堆栈指针，指向某个位置，并且在需要保存的寄存器保存到这个栈上。然后通过Cause寄存器找到发生异常的原因，这样才能跳转到对应的中断处理程序中。
从异常返回：从异常返回到EPC制定的地址之前要把CPU的状态回复到异常之前，好象什么事情都没有发生一样。在R3000中使用rfe指令作这样的事情，但是着条指令仅仅恢复了一些寄存器中的内容，但是并没有转移控制指令，你需要把EPC内容保存到一个通用寄存器中，然后调用jr指令返回到EPC指向的地址处，
7 MIPS的存储管理模型
MIPS32中的存储器模型被划分为四个大块，其中：
0x0000,0000~0x7fff,ffff(0~2G-1) USEG
must be mapped (set page table and TLB)and set cache before use
0x8000,0000~0x9fff,ffff(2G~2.5G-1) KSEG0
directly mapped(no need to set page table and TLB) but need to set cache before use
0xa000,0000~0xbfff,ffff(2.5G~3G-1) KSEG1
directly mapped(no need to set page table and TLB) and never use cache
0xc000,0000~0xffff,ffff(3G~4G-1) KSEG2
muse be mapped(set page table and TLB) and set cache before use
这样的存储器管理模型和X86差距比较大，X86有一个实模式，内核在启动保护模式之前，运行在实模式之下，直到设定了保护模式之后才能运行在保护模式下。在MIPS32中没有保护模式那么系统是如何启动的呢？
MIPS32中的系统启动向量位于KSEG1中0xbf10,0000,由于KSEG1是directly mapped的，所以直接对应了物理地址0x1fc0,0000,你可以在内核中一直使用0xa000,0000~0xbfff,ffff之间的虚拟地址来访问物理地址0~512M-1,在设置了KSEG0的cache之后，也可一使用0x8000,0000~0x9fff,ffff之间的虚拟地址来访问0~512M-1之间的物理地址。对于512M以上的物理地址只能由KSEG2和USEG通过页表访问。
8 MIPS32中的状态寄存器SR
状态寄存器来设置处理器的一些功能集合，包括设置
设置协处理器0~3的可用性的位CU0~CU3(28~31)
复位向量BEV
中断屏蔽位8~15
KUc、IEc0~1，基本的CPU保护单位
KUc为1时表示运行在内核态，为0时运行在用户模式。在内核态下，可以访问所有的地址空间和协处理器0,运行在用户态下值只能访问0x0000,0000~0x7fff,ffff之间的地址空间。
KUp、IEp2~3
当异常发生时，硬件把KUc、IEc的值保存到KUp、IEp中，并且将KUc、IEc设置为[1,0]--内核态、关中断。异常返回时 rfe指令可以把KUp、IEp的内容复制到KUc、IEc中
KUo、IEo
当异常发生时，硬件把KUp、IEp的值保存到KUo、IEo中；返回时把KUo、IEo的内容复制到KUp、IEp中。
上面三对KU/IE位构成了深度2的栈，异常发生时，硬件自动压栈，rfe指令从异常返回时，从栈中恢复数值
还有一些其它的功能和状态位，可以参考相应的文档
9 MIPS32中的Cause寄存器
BD位：EPC中正常情况下存放了发生异常的指令，但是当着条指令存放在调转指令的延迟槽中时，那么EPC中存放的是这个跳转指令，否则这条跳转指令将得不到执行。
IP位：告诉用户来临的中断
ExcCode：这是一个5位的代码，告诉你哪一条异常发生了，可以根据这个从通用异常处理程序跳装到特定异常处理程序中。
10 MIPS32的C语言中参数传递和返回值的约定
caller至少使用16bytes 堆栈空间存放参数，然后把这16 bytes存放到通用寄存器a0~a3中， called subroutine 直接使用寄存器中的参数，同时caller 堆栈中的16bytes的数据可以不去理会了。
需要理解的是带有浮点参数和结构体的参数传递，对于带有浮点参数的传递需要看第一个参数是否是浮点，如果是浮点则将参数放到 $f12和$f14这两个浮点寄存器中，如果第一个参数不是浮点数，则不用浮点寄存器存放参数。对于结构体的参数传递和x86类似
对于整数和指针类型的参数返回值一般通过通用寄存器v0($2)返回，对于浮点返回类型，一般存放在$f0中返回.