CPU之路——处理器与MIPS
1971年11月15日，Intel发布了世界上第一款单芯片微处理器4004
一、计算机模型（冯·诺依曼体系结构）
计算机的数制(指令和数据)采用二进制
程序存储在计算机中，计算机执行程序时，将自动地从主存储器中取出指令一条一条地顺序执行程序
计算机五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
二、架构与指令集
1、指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）= 指令集 + 寄存器 将编程所需了解的硬件信息从硬件系统中抽象出来。
2、微架构(Microarchitecture)是ISA的具体实现。如Intel处理器遵循X86的ISA，但每款处理器都有自己的微架构。
3、ISA——设计规范 M——具体实现
4、ISA可分为CISC与RISC
CISC复杂指令集：早期内存资源受限，设计者尽可能地设计出一条指令完成复杂功能，以减少对内存的访问，进而提高执行效率。
- 每条指令对应01编码串长度不一
- 指令使用率低、电路复杂
- 独立编址：访问外设IN OUT 访问内存MOV
RISC精简指令集：由于CISC的二八定率与半导体技术的突飞猛进，设计者尽可能使计算机结构简单，运算效率更高。
- 每条指令对应01编码串长度固定
- 指令格式种类少、寻址方式种类少、大量使用寄存器
- 统一编址：访问外设与访问内存指令相同
5、主流ISA
|
处理器架构 |
含义 |
指令集 |
公司 |
主要应用场景 |
|
X86 |
The X86 architecture |
CISC |
Intel |
个人电脑 |
|
ARM |
Advanced RISC Machines |
RISC |
ARM |
嵌入式 |
|
SPARC |
Scalable Processor ARChitecture（可扩展处理器架构） |
RISC |
SUN |
服务器、工作站、航天 |
|
POWER |
Performance Optimization with Enhanced RISC |
RISC |
IBM |
服务器、工作站 |
|
MIPS |
Microprocessor without Interlocked Piped Stages（无内锁流水线微处理器） |
RISC |
MIPS、龙芯 |
工作站、服务器 |
三、MIPS指令集架构
1、数据类型
2、寄存器：存取可在一个时钟周期内完成。MIPS寄存器除加载/存储指令外都是使用寄存器或立即数作为操作数的
通用寄存器（32个32位）：$0~$31
特殊寄存器（3个）：PC（程序计数器）、HI（乘除结果高位寄存器、乘法：结果高32位 除法：余数）、LO（乘除结果低位寄存器、乘法：结果低32位 除法：商）
3、字节次序：数据在存储器中按字节存放，处理器按字节访问存储器
大端模式：数据高位放在低地址空间、数据低位放在高地址空间
小端模式：数据高位放在高地址空间、数据低位放在低地址空间
4、指令格式：MIPS32架构所有指令都是32位的 （OP指令码 FUNC功能码）
R型指令
I型指令
J型指令
5、指令集(汇编)
- 逻辑操作 移位操作 移动操作 算术操作
- 转移 加载存储 协处理器访问 异常相关 其他
6、寻址方式
- 寄存器寻址
- 立即数寻址
- 寄存器相对寻址（加载/存储指令）
- PC相对寻址（转移指令）
7、协处理器CP0
8、异常
- 中断
- 陷阱
- 系统调用
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