MIPS指令集与简要分析

R格式指令

基本格式

标记	op	rs	rt	rd	shamt	funct
位数	31-26	25-21	20-16	15-11	10-6	5-0
功能	操作符	源操作数寄存器1	源操作数寄存器2	目的操作数寄存器	位移量	操作符附加段

指令

算数类指令

指令	op	rs	rt	rd	shamt	funct	功能
add	000000	rs	rt	rd	00000	100000	rd=rs+rt
addu	000000	rs	rt	rd	00000	100001	rd=rs+rt（无符号数）
sub	000000	rs	rt	rd	00000	100010	rd=rs-rt
subu	000000	rs	rt	rd	00000	100011	rd=rs+rt（无符号数）
slt	000000	rs	rt	rd	00000	101010	rd=(rs
sltu	000000	rs	rt	rd	00000	101011	rd=(rs

逻辑类指令

指令	op	rs	rt	rd	shamt	funct	功能
and	000000	rs	rt	rd	00000	100100	rd=rs&rt
or	000000	rs	rt	rd	00000	100101	rd=rs|rt
xor	000000	rs	rt	rd	00000	100110	rd=rs xor rd
nor	000000	rs	rt	rd	00000	100111	rd=!(rs|rt)

位移类指令

指令	op	rs	rt	rd	shamt	funct	功能
sll	000000	00000	rt	rd	shamt	000000	rd=rt<
srl	000000	00000	rt	rd	shamt	000010	rd=rt>>shamt
sra	000000	00000	rt	rd	shamt	000011	rd=rt>>shamt（符号位保留）
sllv	000000	rs	rt	rd	00000	000100	rd=rt<
srlv	000000	rs	rt	rd	00000	000110	rd=rt>>rs
srav	000000	rs	rt	rd	00000	000111	rd=rt>>rs（符号位保留）

跳转指令

指令	op	rs	rt	rd	shamt	funct	功能
jr	000000	rs	00000	00000	00000	001000	PC=rs

I格式指令

基本格式

标记	op	rs	rd	im
位数	31-26	25-21	20-16	15-0
功能	操作符	源操作数寄存器	目的操作数寄存器	立即数

指令

算数指令

指令	op	rs	rd	im	功能
addi	001000	rs	rd	im	rd=rs+im
addiu	001001	rs	rd	im	rd=rs+im（无符号数）
slti	001010	rs	rd	im	rd=(rs
sltiu	001011	rs	rd	im	rd=(rs

逻辑类指令

指令	op	rs	rd	im	功能
andi	001100	rs	rd	im	rd=rs&im
ori	001101	rs	rd	im	rd=rs|im
xori	001110	rs	rd	im	rd=rs xor im

载入类指令

指令	op	rs	rd	im	功能
lui	001111	00000	rd	im	rt=im*65536
lw	100011	rs	rd	im	rt=memory[rs+im]
sw	101011	rs	rd	im	memory[rs+im]=rt

跳转类指令

指令	op	rs	rd	im	功能
beq	000100	rs	rd	im	PC=(rs==rt)?PC+4+im<<2:PC
bne	000101	rs	rd	im	PC=(rs!=rt)?PC+4+im<<2:PC

J格式指令

基本格式

标记	op	address
位数	31-26	25-0
功能	操作符	地址

指令

指令	op	address	功能
j	000010	addr	PC={(PC+4)[31,28],addr,00}
jal	000011	addr	$31=PC;PC={(PC+4)[31,28],addr,00}

指令分析

指令格式

MIPS_order.png

不同格式的指令具有不同的功能，其中：

• R格式指令为纯寄存器指令，所有的操作数（除移位外）均保存在寄存器中。Op字段均为0，使用funct字段区分指令
• I格式指令为带立即数的指令，最多使用两个寄存器，同时包括了load/store指令。使用Op字段区分指令
• J格式指令为长跳转指令，仅有一个立即数操作数。使用Op字段区分指令

数据通路

以上的指令包括以下几种与指令有关的数据通路：

• 指令——寄存器组：R格式指令均为寄存器指令，需要指令提供寄存器地址
• 指令——运算单元（ALU）：运算指令由指令提供运算类型，同时提供参与运算的立即数和位移量
• 指令——存储器：load/store指令的寻址方式仅为寄存器偏移量寻址，需要指令提供立即数偏移量
• 指令——PC：J格式指令需要将指令中的立即数载入PC中

同时还有几种必备的与指令无关的数据通路：

• 寄存器组——运算单元（ALU）：寄存器组为运算单元提供操作数，运算结果存在寄存器组中
• 寄存器组——存储器：load/store指令的两端
• 寄存器组——PC：跳转指令与寄存器组有关

当使用哈弗结构时，数据通路框图如下所示：

MIPS_dataflow.png

流水线划分

若使用流水线实现，可以将流水线划分为：取指->译码->准备操作数->执行->回写四个阶段：

• 取指阶段：按PC从指令寄存器中取出完整的32位指令，之后PC自增
• 译码阶段：按指令的高6位（Op字段）将指令解释为相应的格式
• 准备操作数阶段：按指令中的对应字段准备操作数，包括：计算地址（load/store指令），取出寄存器中的操作数置于数据总线（寄存器指令），计算PC值（跳转指令）等
• 执行阶段：执行指令，包括：访问存储器（load/store指令），ALU运算（计算类指令），刷新PC值（跳转指令）等
• 回写阶段：将结果存入寄存器中，包括：ALU的运算结果（计算类指令），访存结果（load指令），原PC值（带返回跳转指令）等