MIPS指令 MIPS架构

华中科技大学 - 计算机组成原理
华中科技大学 - 计算机硬件系统设计

Microprocessor without Interlocked Pipleline Stages
无内部互锁流水级的微处理器

属于RISC

MIPS指令格式

R型指令

6 bits	5 bits	5 bits	5 bits	5 bits	6 bits
000000	R_s	R_t	R_d	shamt	funct
	第一源操作数	第二源操作数	目标操作数，保存结果	在移位指令中使用	指定指令的具体功能

三寄存器R型指令

add

000000	R_s	R_t	R_d	00000	100000

sub

000000	R_s	R_t	R_d	00000	100010

and

000000	R_s	R_t	R_d	00000	100100

000000	R_s	R_t	R_d	00000	100101

xor

000000	R_s	R_t	R_d	00000	100110

两寄存器R型指令

sll（逻辑左移）

000000	00000	R_t	R_d	偏移量	000000

srl（逻辑右移）

000000	00000	R_t	R_d	偏移量	000010

sra（算术右移）

000000	00000	R_t	R_d	偏移量	000011

单寄存器R型指令

jr（寄存器跳转）

000000	R_s	00000	00000	00000	001000

R型指令中的无条件分支指令：jr，jalr

I型指令

6 bits	5 bits	5 bits	16 bits
OP	R_s	R_t
标识操作功能	第1个源操作数	目的寄存器编号	第2个源操作数

双目运算、LOAD/STORE：R_s和立即数是源操作数，R_t为目标操作数
条件转移：R_s、R_t均为源操作数

面向运算的I型指令

addi

001000	R_s	R_t	imm

andi

001100	R_s	R_t	imm

ori

001101	R_s	R_t	imm

xori

001110	R_s	R_t	imm

addi的立即数扩展为符号扩展
（若为负数高16位补1）
其他三条进行0扩展
（高16位补0）

面向访存的I型指令

lw（从存储器读数据）

100011	R_s	R_t	imm

sw（把数据保存到存取器）

101011	R_s	R_t	imm

面向数位设置的I型指令

lui（把立即数加载到寄存器的高16位）

001111	00000	R_t	imm

面向条件转移的I型指令

beq（寄存器相等则转移）

000100	R_s	R_t	imm

bne（寄存器不相等则转移）

000101	R_s	R_t	imm

I型指令中的有条件分支指令：beq, bne, bgtz( > 0 ), bgez( >= 0 )，bltz( < 0 ), blez( <= 0 )

J型指令

6 bits	26 bits
OP	立即数
	跳转目标地址的部分地址

j（无条件跳转）

000010	address

jal（调用与联接）

001100	address

类似于X86架构的CALL。jal要保存返回地址

J型指令的无条件分支指令：j, jal

MIPS寄存器

在R和I型指令格式中，寄存器操作数字段均为5位，可编号32个寄存器

寄存器名	寄存器编号	说明
$s0	0	保存固定的常数0
$at	1	汇编器的临时变量
$v0 - $v1	2 - 3	字函数调用返回结果
$a0 - $a3	4 - 7	函数调用参数1-3
$t0 - $t7	8 - 15	临时变量，函数调用时不需要保存和恢复
$s0 - $s7	16 - 23	函数调用时需要保存和恢复的寄存器变量
$t8 - $t9	24 - 25	临时变量，函数调用时不需要保存和恢复
$k0 - $k1	26 -27	中断、异常处理程序使用
$gp	28	全局指针变量（Global Pointer）
$sp	29	堆栈指针变量（Stack Pointer）
$fp	30	帧指针变量（Frame Pointer）
$ra	31	返回地址（Return Address）

另外还有

32个32位单精度浮点寄存器f₀ - f₃₁
2个32位乘、商寄存器H_i和L₀：运算乘法时分别存放64位乘积的高、低32位；除法时分别存放余数和商

浮点寄存器和乘商寄存器没有编号，对程序员来说是透明的

MIPS寻址方式

MIPS32指令集中不单设寻址方式说明字段

R型指令：由OP和funct字段共同隐含说明（R型指令字段全为0，需要结合funct字段表示）
I、J型指令：由OP字段隐含

立即数寻址

immediate addressing

寄存器直接寻址

add $t0,$s1,$s2 ;($t0 = $s1 + $s2)

基址寻址

basic addressing

使用通用寄存器作为基址寄存器，以立即数作为偏移量，立即数带符号扩展为32位，和基址寄存器的值一起得到主存地址

使用基址寻址的指令：lw, sw, lh, sh, lb, lbu等

相对寻址

PC的值和偏移量相加得到主存地址，以立即数为偏移量。立即数带符号扩展为32位并左移2位再和PC的内容相加
PC的值会被修改为相加结果

使用相对寻址的指令：beq, bne

页面寻址

26位的地址码左移2位变为28位，作为地址的低28位，PC的值会被修改
高4位是PC改变后的值（取出指令后PC自动增加）

单周期MIPS架构

取指Dp

由于需要在一个周期内完成取指译码执行的过程，不设置AR，DR，IR。
取指令和取操作数要同时完成，为了避免访存冲突将程序和数据分开存放（哈佛结构）：

指令Cache
数据Cache

ALU和PC累加器分开

R型指令数据通路

以add $s0, $s1, $s2为例

以PC的内容访问IM，解析指令字段，分出3个寄存器编号
以寄存器编号访问寄存器堆
输出两路寄存器值，根据AluOP信号运算
当时钟到来，给出RegWrite，将结果写入寄存器堆

寄存器堆要支持两路读和一路写

I型指令数据通路

以lw $s0, 32($31)为例（从存储器读数据）

以PC的内容访问IM，解析指令字段，分出2个寄存器编号和立即数字段
以寄存器编号访问寄存器堆
立即数字段进行符号扩展单元，扩展为32位
输出一路寄存器值，和立即数相加得到DM地址
经过一个存储器延迟，数据到达WD端
时钟到来写入寄存器堆

sw $s0, 32($31)（从存储器读数据）

单周期MIPS数据通路

对于有多输入源的引脚，加上多路选择器和信号选择信号

beq数据通路的建立

J型指令的数据通路建立

需要增加JUMP控制信号，PC输入增加一个跳转地址

单周期MIPS控制器

单周期架构下，无时序逻辑

输入	输出
OP + funct	多路选择器选择信号
	寄存器写使能信号
	内存访问控制信号
	运算器控制信号
	指令译码信号

单周期MIPS关键路径

lw的最长路径

时钟周期 = T_{clk_to_Q} + T_mem + T_{regfile_read} + T_alu + T_mem + T_mux + T_setup

多周期MIPS架构

不区分指令和数据存储器（冯诺依曼结构），功能部件分时使用
时钟周期变小，传输通路变短
功能部件输出端增加寄存器锁存数据

多周期MIPS CPU数据通路

取指令T₁

PC += 4

PC的内容传输到ALU的输入端和
ALUSrcB信号选择4传输到ALU的输入端
AluOP信号选择运算方式
时钟到来，在PCWrite信号的配合下结果送回PC

根据PC的内容从主存取指令

给出IRWrite信号，时钟到来时PC值写入IR锁存，同时PC原有的值更新为PC+4

取指令T₂

将IR的内容送入控制器产生控制信号
计算条件分支转移的地址（图紫色部分）

时钟到来，取出的数据锁存在AB

R型指令执行T₃-T₄

给出AluOP和ALUSrcA、ALUSrcB信号，完成信号
时钟到来C更新
C的内容输出，在RegDst和RegWrite信号配合下，写回寄存器堆

lw执行T₃-T₅

4. A和立即数相加计算操作数地址，时钟到来结果锁存在C
5. 将C的内容传输到主存，时钟到来数据锁存在DR
6. DR的内容写入寄存器堆（IR给出目标寄存器编号）

beq执行T₃

AB内容传输到ALU的输入端，进行比较，相等在给出equal信号，与branch信号与后输入到PC作为写使能

多周期状态转换图

多周期MIPS CPU控制器

输入	输出
OP + funct	多路选择器选择信号
时钟信号	寄存器写使能信号
复位信号	内存访问控制信号
	运算器控制信号
	指令译码信号