上一篇从顶层讲解了一个指令集 / 指令系统应当具备哪些特征和工作原理。这一篇就聚焦MIPS指令集（MIPS32），看看其汇编语句和机器语言是什么样子的。

1. 龙芯杯MIPS指令系统规范手册
2. 课件，由于是英文且只是老师的思路，所以是辅助参考
3. 《计算机组成原理》谭志虎，HUST（此书强推）

本文约定MIPS32的数据格式定义如下：

这个不搞搞清楚，后续还会麻烦，不如放在最前面。

自上一篇对于指令系统的整体介绍可以知道，指令集的操作数是指令的操作对象，它有三个来源：立即数、寄存器和存储器。这里来看一下MIPS32指令系统支持的操作数空间。

01-1 立即数操作数

在上一篇的介绍中，立即数是由地址码表示的，所以MIPS的立即数的长度由指令格式决定，再具体一点是指令格式中的地址码长度决定。

01-2 寄存器操作数

整理此文期间，老师发了一个讲解

打开之后，我觉得讲得还不错，对于各个寄存器的功能都有说明，就是排版不太好。

MIPS-32指令集共有32个32位通用寄存器，按照编码原理，机器指令中可以用5个bit来编码32个寄存器；在汇编中可以用寄存器编号0~31表示，但更推荐用它们的名字（\(+两个字符），因为不同的寄存器的**默认工作不同**，如果有名称来进行区分，对于汇编层次的程序设计者更友好一些。具体表示如：\)sp , $t0等等。

为什么会给寄存器取名，从下面这个表格就可见一斑。后续下一篇介绍高级语言程序段的汇编翻译的时候，还会具体说明这些寄存器的功能分类。

为什么使用32个通用寄存器？

使用64个或更多寄存器不但需要更大的指令空间来对寄存器编码，还会增加上下文切换的负担。除了那些很大不能感非常复杂的函数，32个寄存器就已足够保存经常使用的数据。使用更多的寄存器并不必要，同时计算机设计有个原则叫“越小越快”，但是也不是说使用31个寄存器会比32个性能更好，32个通用寄存器是流行的做法。

我们通常意义上说的32个寄存器，就是上述32个通用寄存器。事实上，MIPS还提供了32个32位的单精度浮点寄存器，用$f0 ~ f31表示，两两拼合还可以形成16个64位的双精度寄存器。此外，MIPS还有其他特殊寄存器：

• • hi 寄存器存放乘法指令结果的高半部分或是除法指令结果的余数。
• lo 寄存器存放乘法指令结果的低半部分或是除法指令结果的商。

• 协处理器CP0的寄存器

  • CP0是协处理器((Co-Processor)之一，其中有一组寄存器，一共32个；
  • CP0 必须实现，起到控制CPU的作用，主要用于中断、例外控制。MMU、异常处理、乘除法等功能，都依赖于协处理器CP0来实现。它是MIPS的精髓之一，也是打开MIPS特权级模式的大门。
  • 后续的特权指令中会有很多使用CP0寄存器的地方。
  • 这里提一个寄存器，EPC，这个寄存器存放异常发生时，系统正在执行的指令的地址。后面特权指令ERET会用到。

01-3 存储器操作数

有2³⁰个存储器字，根据00部分的数据格式，这里一个存储器字也就是32位bit，即4个byte，所以换算成我们更常见的形式有：

上一篇中我们介绍了指令系统的11 种访存方式，MIPS只采用了其中的五种，即：（也简单回忆一下）

1. imm字段 / D字段就是立即数本身。

2. 操作数放在某个寄存器中，形式地址D字段 / imm字段给出寄存器的编号，有的指令可能会使用多个寄存器，也就会用到多段寄存器编码段。

3. 寄存器存放基地址，形式地址D字段存放变化量。

4. 这种比较新，实际操作是EA = { PC+4的高四位（31到28），imm（D字段），00 }

   可见此处的EA达到了32位bit，也即30位存储字。

对于具体的指令格式，R型指令的寻址方式只有寄存器寻址；I型指令的寻址方式有寄存器寻址、立即数寻址、基址寻址、相对寻址；J型指令的只有伪直接寻址。

了解一个指令集最重要的是指令格式，指令格式统帅了所有其他的方面。MIPS32种所有的指令都是32位定长指令，格式很规整（很漂亮）；对于实在难以用统一格式表述的指令，MIPS采取了折中的办法，即让指令的一部分看上去是一样的，其他的部分进行一些微调。

MIPS指令格式有三种：I型、R型、J型；具体格式如下：

下面是对上图各个部分的一个解释：

• 图中opcode字段就是操作码，一般简称为OP，不过R型指令有一点与众不同，R型指令的OP段全为0），具体的指令功能由低6位的 function(funct) 字段决定，这里的funct字段就是扩展操作码。
• 至于寻址方式，MIPS的寻址方式是没有单独的字段的，而是放在操作码字段里。
• 上面看到的rs、rt、rd就是寄存器操作数字段，各用五位表示（32个通用寄存器正好编码5个二进制位）；R型指令可以有三个寄存器操作数，而I型指令最多两个寄存器操作数，而J型不需要寄存器操作数。
• 上图其他元素还有shamt字段（五位的sa），用于移位指令，其他指令这一段为0；以及I型指令的imm字段，可以表示16位的有符号立即数，立即数范围为 [-3]。J型指令的instr_index（Address字段）有26位。

R型指令的操作数只能来自寄存器，运算结果也只能来自寄存器，属于上一篇中所提到RR型指令。下面先来说说MIPS的R型指令的机器语言格式：

因为具体指令打算放到指令功能里再整理，这里举一个典例，MIPS的加法在汇编中表示为：

意思是 把 t0（8号）和s4（20号） 寄存器的内容相加，把结果放到s1（17号）寄存器，机器格式为：

I型指令就是立即数型指令，至多可以使用两个寄存器，按照执行的功能有以下情况：

1. 如果是双目运算，则将寄存器rs和立即数imm分别作为源操作数，将结果送入rt寄存器中；
2. 如果是Load / Store指令，则将寄存器rs和立即数imm值相加得到有效地址EA，将EA送入rt寄存器中；
3. 如果是条件分支指令，则对rs和rt寄存器中的数据进行规定的判别运算，并根据结果决定是否进行跳转，如果发生跳转，那么跳转后的地址EA由相对寻址方式获得（PC+4与立即数imm相加得到）

举一个典例，MIPS中的beq指令，指令作用是相等则跳转：

意为判断\(s1和\)s2中操作数是否相等，如果相等去地址为PC+4+imm的地方继续运行。

为什么是100不是25呢？

答：如果发生转移，要将imm左移2位，并符号扩展至32位，然后与PC+4相加，加法的结果就是转移目的地址，从该地址取指令。

J型指令主要是无条件转移指令，其特点是仅有操作码和地址码两个字段，采用伪直接寻址，有效地址EA 用PC+4的高4位与 26位的imm经左移2位后拼接得到：

J型指令常用的有两个：j 和 jal

注意：jr和jalr虽然也实现无条件跳转，但不是J型。

本部分参考：龙芯杯MIPS指令系统规范手册，开源，上传至博客文件。

04-1 算术运算指令

一共十四条，包括加、减、乘、除、置1五个小类。

1. • • 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相加，结果写入寄存器 rd 中。如果产生溢出，则触发整型溢出例外（IntegerOverflow）。
   • • 如果有溢出，则触发整型溢出例外。
2. • • 将寄存器 rs 的值与有符号扩展至 32 位的立即数 imm 相加，结果写入 rt 寄存器中。如果产生溢出，则触发整型溢出例外（IntegerOverflow）。
   • • 如果有溢出，则触发整型溢出例外。
3. • • 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相加，结果写入 rd 寄存器中。
4. • 将寄存器 rs 的值与有符号数至 32 位的立即数 imm 相加，结果写入 rt 寄存器中。（没写错1!)
5. • • ：将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相减，结果写入 rd 寄存器中。如果产生溢出，则触发整型溢出例外（IntegerOverflow）。
6. • • 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相减，结果写入 rd 寄存器中。
7. • • 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 中的值进行有符号数比较，如果寄存器 rs 中的值小，则寄存器 rd 置 1；否则寄存器 rd 置 0。
8. • • 将寄存器 rs 的值与有符号扩展至 32 位的立即数 imm 进行有符号数比较，如果寄存器 rs 中的值小，则寄存器 rt 置 1；否则寄存器 rt 置 0。
9. • • 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 中的值进行无符号数比较，如果寄存器 rs 中的值小，则寄存器 rd 置 1；否则寄存器 rd 置 0。

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