自己动手写处理器之第一阶段（3）——MIPS32指令集架构简单介绍

将陆续上传本人写的新书《自己动手写处理器》（尚未出版）。今天是第四篇。我尽量每周四篇

1.4 MIPS32指令集架构简单介绍

本书设计的处理器遵循MIPS32 Release 1架构，所以本节介绍的MIPS32指令集架构指的就是MIPS32 Release 1。

1.4.1 数据类型

指令的主要任务就是对操作数进行运算。操作数有不同的类型和长度，MIPS32提供的基本数据类型例如以下。

• 位（b）：长度是1bit。

• 字节（Byte）：长度是8bit。

• 半字（Half Word）：长度是16bit。

• 字（Word）：长度是32bit。
• 双字（Double Word）：长度是64bit。

此外，还有32位单精度浮点数、64位双精度浮点数等。

1.4.2 寄存器

在前文介绍RISC的特点时提到一点：大量使用寄存器。这是由于寄存器的存取能够在一个时钟周期内完毕，同一时候也简化了寻址方式。MIPS32的指令中除载入/存储指令外，都是使用寄存器或马上数作为操作数的。

MIPS32中的寄存器分为两类：通用寄存器（GPR：General Purpose Register）、特殊寄存器。

1、通用寄存器

MIPS32架构定义了32个通用寄存器，使用$0、$1……$31表示，都是32位。

当中$0一般用做常量0。

在硬件上没有强制指定寄存器的使用规则，可是在实际使用中。这些寄存器的使用方法都遵循一系列约定，比如：寄存器$31一般存放子程序的返回地址。MIPS32中通用寄存器的约定使用方法如表1-1所看到的。

在本书大部分章节中，測试程序都是直接使用汇编指令编写的，对寄存器的约定使用方法还不须要十分在意，可是本书的最后一章移植μC/OS-II时，由于涉及到C语言、汇编混合编程，对寄存器的约定使用方法就须要十分在意了。读者届时能够体会到表1-1中各个寄存器约定使用方法的作用。

2、特殊寄存器

MIPS32架构中定义的特殊寄存器有三个：PC（Program Counter程序计数器）、HI（乘除结果高位寄存器）、LO（乘除结果低位寄存器）。

进行乘法运算时，HI和LO保存乘法运算的结果，当中HI存储高32位。LO存储低32位；进行除法运算时，HI和LO保存除法运算的结果，当中HI存储余数，LO存储商。

1.4.3 字节次序

数据在存储器中是依照字节存放的。处理器也是依照字节訪问存储器中的指令或数据，可是假设须要读出一个字，也就是4个字节，比方读出的是mem[n]、mem[n+1]、mem[n+2]、mem[n+3]这四个字节。那么终于交给处理器的有两种结果。

• {mem[n],mem[n+1],mem[n+2],mem[n+3]}
• {mem[n+3],mem[n+2],mem[n+1],mem[n]}

前者称为大端模式（Big-Endian），也称为MSB（Most Significant Byte），后者称为小端模式（Little-Endian），也称为LSB（Least Significant Byte）。在大端模式下，数据的高位保存在存储器的低地址中。而数据的低位保存在存储器的高地址中。图1-4给出0x12345678在两种模式下的存储情况。本书实现的处理器採用的是大端模式（Big-Endian）。

1.4.4 指令格式

MIPS32架构中的全部指令都是32位，也就是32个0、1编码连在一起表示一条指令，有三种指令格式。如图1-5所看到的。

当中op是指令码、func是功能码。

（1）R类型：详细操作由op、func结合指定，rs和rt是源寄存器的编号，rd是目的寄存器的编号。比方：如果目的寄存器是$3。那么相应的rd就是00011（此处是二进制）。MIPS32架构中有32个通用寄存器，使用5位编码就能够所有表示，所以rs、rt、rd的宽度都是5位。

sa仅仅有在移位指令中使用。用来指定移位位数。

（2）I类型：详细操作由op指定。指令的低16位是马上数，运算时要将其扩展至32位。然后作为当中一个源操作数參与运算。

（3）J类型：详细操作由op指定，通常是跳转指令，低26位是字地址，用于产生跳转的目标地址。

1.4.5 指令集

在“计算机的简单使用模型”中已经介绍过，能够直接使用0、1编码进行程序设计，可是那样显然太不方便、easy出错，于是人们使用一些助记符来表示各种指令。这就是汇编指令，使用汇编程序将汇编指令翻译为计算机能够识别的0、1编码。

也就是将汇编指令翻译为图1-5所看到的的格式，这样处理器就能够识别了。

MIPS32架构中定义的指令能够分为下面几类。

注意：当中不包括浮点指令，由于本书实现的处理器不包括浮点处理单元。也就没有实现浮点指令，所以此处不介绍浮点指令。

1、逻辑操作指令

有8条指令：and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui，实现逻辑与、或、异或、或非等运算。本书设计的处理器实现了全部逻辑操作指令，将在第4、5章具体介绍各个逻辑操作指令的格式、作用、使用方法，及事实上现过程。

2、移位操作指令

有6条指令：sll、sllv、sra、srav、srl、srlv。实现逻辑左移、右移、算术右移等运算。

本书设计的处理器实现了全部移位操作指令。将在第5章具体介绍各个移位操作指令的格式、作用、使用方法。及事实上现过程。

3、移动操作指令

有6条指令：movn、movz、mfhi、mthi、mflo、mtlo。用于通用寄存器之间的数据移动，以及通用寄存器与HI、LO寄存器之间的数据移动。本书设计的处理器实现了全部移动操作指令，将在第6章具体介绍各个移动操作指令的格式、作用、使用方法，及事实上现过程。

4、算术操作指令

有21条指令：add、addi、addiu、addu、sub、subu、clo、clz、slt、slti、sltiu、sltu、mul、mult、multu、madd、maddu、msub、msubu、div、divu，实现了加法、减法、比較、乘法、乘累加、除法等运算。本书设计的处理器实现了全部算术操作指令，将在第7章具体介绍各个算术操作指令的格式、作用、使用方法，及事实上现过程。

5、转移指令

有14条指令：jr 、jalr 、j 、jal、b、bal、beq、bgez、bgezal、bgtz、blez、bltz、bltzal、bne，当中既有无条件转移。也有条件转移，用于程序转移到还有一个地方运行。

本书设计的处理器实现了全部转移指令。将在第8章具体介绍各个转移指令的格式、作用、使用方法。及事实上现过程。

6、载入存储指令

有14条指令：lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr、sb、sc、sh、sw、swl、swr，以“l”開始的都是载入指令，以“s”開始的都是存储指令，这些指令用于从存储器中读取数据，或者向存储器中保存数据。

本书设计的处理器实现了全部载入存储指令，将在第9章具体介绍各个载入存储指令的格式、作用、使用方法，及事实上现过程。

7、协处理器訪问指令

有2条指令：mtc0、mfc0，用于读取协处理器CP0中某个寄存器的值，或者将数据保存到协处理器CP0中的某个寄存器。本书设计的处理器实现了全部协处理器訪问指令，将在第10章具体介绍协处理器、协处理器訪问指令的格式、作用、使用方法，及事实上现过程。

8、异常相关指令

有14条指令，当中有12条自陷指令。包含：teq、tge、tgeu、tlt、tltu、tne、teqi、tgei、tgeiu、tlti、tltiu、tnei。此外还有系统调用指令syscall、异常返回指令eret。本书设计的处理器实现了全部异常相关指令，将在第11章具体介绍异常相关指令的格式、作用、使用方法，及事实上现过程。

9、其余指令

有4条指令：nop、ssnop、sync、pref，当中 nop是空指令。ssnop是一种特殊类型的空指令，sync指令用于保证载入、存储操作的顺序，pref指令用于缓存预取。本书设计的处理器对这4条指令进行了简化并加以实现。将在第5章具体介绍简化后的实现过程。

1.4.6 寻址方式

MIPS32架构的寻址模式有寄存器寻址、马上数寻址、寄存器相对寻址和PC相对寻址四种。当中寄存器相对寻址、PC相对寻址介绍例如以下。

（1）寄存器相对寻址

这样的寻址模式主要是载入/存储指令使用，其将一个16位的马上数做符号扩展。然后与指定通用寄存器的值相加。从而得到有效地址，如图1-6所看到的。

（2）PC相对寻址

这样的寻址模式主要是转移指令使用。在转移指令中有一个16位的马上数，将其左移两位并作符号扩展，然后与程序计数寄存器PC的值相加，从而得到有效地址。如图1-7所看到的。

1.4.7 协处理器CP0

协处理器一词通经常使用来表示处理器的一个可选部件。负责处理指令集的某个扩展，拥有与处理器相独立的寄存器。MIPS32架构提供了最多4个协处理器，各自是CP0-CP3。

协处理器CP0用作系统控制，CP1、CP3用作浮点处理单元，而CP2被保留用于特定实现。除CP0外的协处理器都是可选的。

协处理器CP0的详细作用有：配置CPU工作状态、快速缓存控制、异常控制、存储管理单元控制等。CP0通过配置内部的一系列寄存器来完毕上述工作。本书设计的处理器实现了CP0的部分功能。将在第10章详述。

1.4.8 异常

在处理器运行过程中，会从存储器中依次取出指令，然后运行。可是有一些事件会打断正常的程序运行流程，这些事件有中断（Interrupt）、陷阱（Trap）、系统调用（System Call）等等，统称为异常。异常发生后，处理器会转移到一个事先定义好的地址，在那个地址有异常处理例程，在当中进行异常处理。这个地址称为异常处理例程入口地址。异常处理完毕后，使用异常返回指令eret，返回到异常发生前的状态继续运行。本书设计的处理器实现了对硬件复位、中断（包括软中断、硬中断）、syscall系统调用、无效指令、溢出、自陷等6种异常的处理，将在第11章详述。