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为什么MIPS处理器的数据通路中需要符号扩展单元和左移两位?

符号扩展单元

考虑MIPS的存取指令，其一般形式为：

lw   $tl,offset_value ($t2)  #取字指令

或

sw   $tl,offset_value ($t2)  #存储指令

在这类指令中，通过将基址寄存器＄t2 的内容与指令中的带符号偏移量offset_value相加，得到存储器地址。如果是取数指令，则要将从存储器中读出的数据存入指定的寄存器＄t1中；如果是存储指令，要从寄存器＄t1中读出要存储的数据，存入存储器地址。

我们知道，这两种指令均为I型指令（立即数）。其字段构成为：

所以，offset_value为16位字段。而MIPS寄存器为32位，则基址寄存器＄t2 的内容也为32位，要将两者相加，就需要先将offset_value扩展为32位。

符号扩展的具体操作为：将原数据项的最高位复制到新数据项多出来的高位。（为增加数据项的长度，将原数据项的最高位复制到新数据项多出来的高位。）

例如，-1存储为8位：11111111（补码！），现需要将其扩展为16位，显然是：1111111111111111。而正数只需要在多出来的高位补0即可。

左移两位

如图为MIPS处理器分支指令的数据通路：

考虑MIPS的分支指令：

beq  $t1, $t2, offset_value

该指令表示：如果 t 1 和 t1和 t1和t2中的数值相等，则转到执行地址为offset_value与紧随分支指令的地址两者之和的语句。紧随分支指令的地址即为当前的PC+4。

即：新的PC = offset_value+ PC+4。PC存储在程序计数器（保存程序正在执行的指令地址的寄存器）中。所以，该指令同样会用到符号扩展单元。

但是，MIPS中连续字的地址相差4，且字的起始地址为4的倍数（一个地址为8位，即一个字节，一个字有4个字节）。所以，需要将offset_value左移2位，使其表示为字的地址（这也是为什么是PC+4而不是PC+1）。为什么要保证其为字的地址呢？因为该指令将要跳转到下一条待执行的指令地址，而MIPS指令长度为32位（一个字），所以指令地址一定为字的地址。

左移2位以后，offset_value最低两位为00，而最高的两位符号位则被舍去。

例如，offset_value原来为0011，表示偏移三个字，但是，地址是按字节编码的，如果不执行左移，就会变成偏移三个字节。正确的应该是左移两位得到：1100，即偏移12个字节（3个字）。

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