MIPS指令集與簡要分析

R格式指令

基本格式

標(biāo)記 op rs rt rd shamt funct
位數(shù) 31-26 25-21 20-16 15-11 10-6 5-0
功能 操作符 源操作數(shù)寄存器1 源操作數(shù)寄存器2 目的操作數(shù)寄存器 位移量 操作符附加段

指令

算數(shù)類指令

指令 op rs rt rd shamt funct 功能
add 000000 rs rt rd 00000 100000 rd=rs+rt
addu 000000 rs rt rd 00000 100001 rd=rs+rt（無符號數(shù)）
sub 000000 rs rt rd 00000 100010 rd=rs-rt
subu 000000 rs rt rd 00000 100011 rd=rs+rt（無符號數(shù)）
slt 000000 rs rt rd 00000 101010 rd=(rs<rt)?1:0
sltu 000000 rs rt rd 00000 101011 rd=(rs<rt)?1:0（無符號數(shù)）

邏輯類指令

指令 op rs rt rd shamt funct 功能
and 000000 rs rt rd 00000 100100 rd=rs&rt
or 000000 rs rt rd 00000 100101 rd=rs|rt
xor 000000 rs rt rd 00000 100110 rd=rs xor rd
nor 000000 rs rt rd 00000 100111 rd=!(rs|rt)

位移類指令

指令 op rs rt rd shamt funct 功能
sll 000000 00000 rt rd shamt 000000 rd=rt<<shamt
srl 000000 00000 rt rd shamt 000010 rd=rt>>shamt
sra 000000 00000 rt rd shamt 000011 rd=rt>>shamt（符號位保留）
sllv 000000 rs rt rd 00000 000100 rd=rt<<rs
srlv 000000 rs rt rd 00000 000110 rd=rt>>rs
srav 000000 rs rt rd 00000 000111 rd=rt>>rs（符號位保留）

跳轉(zhuǎn)指令

指令 op rs rt rd shamt funct 功能
jr 000000 rs 00000 00000 00000 001000 PC=rs

I格式指令

基本格式

標(biāo)記 op rs rd im
位數(shù) 31-26 25-21 20-16 15-0
功能 操作符 源操作數(shù)寄存器 目的操作數(shù)寄存器 立即數(shù)

指令

算數(shù)指令

指令 op rs rd im 功能
addi 001000 rs rd im rd=rs+im
addiu 001001 rs rd im rd=rs+im（無符號數(shù)）
slti 001010 rs rd im rd=(rs<im)?1:0
sltiu 001011 rs rd im rd=(rs<im)?1:0（無符號數(shù)）

邏輯類指令

指令 op rs rd im 功能
andi 001100 rs rd im rd=rs&im
ori 001101 rs rd im rd=rs|im
xori 001110 rs rd im rd=rs xor im

載入類指令

指令 op rs rd im 功能
lui 001111 00000 rd im rt=im*65536
lw 100011 rs rd im rt=memory[rs+im]
sw 101011 rs rd im memory[rs+im]=rt

跳轉(zhuǎn)類指令

指令 op rs rd im 功能
beq 000100 rs rd im PC=(rs==rt)?PC+4+im<<2:PC
bne 000101 rs rd im PC=(rs!=rt)?PC+4+im<<2:PC

J格式指令

基本格式

標(biāo)記 op address
位數(shù) 31-26 25-0
功能 操作符 地址

指令

指令 op address 功能
j 000010 addr PC={(PC+4)[31,28],addr,00}
jal 000011 addr $31=PC;PC={(PC+4)[31,28],addr,00}

指令分析

指令格式

MIPS_order.png

不同格式的指令具有不同的功能，其中：

  • R格式指令為純寄存器指令，所有的操作數(shù)（除移位外）均保存在寄存器中。Op字段均為0，使用funct字段區(qū)分指令
  • I格式指令為帶立即數(shù)的指令，最多使用兩個寄存器，同時包括了load/store指令。使用Op字段區(qū)分指令
  • J格式指令為長跳轉(zhuǎn)指令，僅有一個立即數(shù)操作數(shù)。使用Op字段區(qū)分指令

數(shù)據(jù)通路

以上的指令包括以下幾種與指令有關(guān)的數(shù)據(jù)通路：

  • 指令——寄存器組：R格式指令均為寄存器指令，需要指令提供寄存器地址
  • 指令——運算單元（ALU）：運算指令由指令提供運算類型，同時提供參與運算的立即數(shù)和位移量
  • 指令——存儲器：load/store指令的尋址方式僅為寄存器偏移量尋址，需要指令提供立即數(shù)偏移量
  • 指令——PC：J格式指令需要將指令中的立即數(shù)載入PC中

同時還有幾種必備的與指令無關(guān)的數(shù)據(jù)通路：

  • 寄存器組——運算單元（ALU）：寄存器組為運算單元提供操作數(shù)，運算結(jié)果存在寄存器組中
  • 寄存器組——存儲器：load/store指令的兩端
  • 寄存器組——PC：跳轉(zhuǎn)指令與寄存器組有關(guān)

當(dāng)使用哈弗結(jié)構(gòu)時，數(shù)據(jù)通路框圖如下所示：

MIPS_dataflow.png

流水線劃分

若使用流水線實現(xiàn)，可以將流水線劃分為：取指->譯碼->準(zhǔn)備操作數(shù)->執(zhí)行->回寫四個階段：

  • 取指階段：按PC從指令寄存器中取出完整的32位指令，之后PC自增
  • 譯碼階段：按指令的高6位（Op字段）將指令解釋為相應(yīng)的格式
  • 準(zhǔn)備操作數(shù)階段：按指令中的對應(yīng)字段準(zhǔn)備操作數(shù)，包括：計算地址（load/store指令），取出寄存器中的操作數(shù)置于數(shù)據(jù)總線（寄存器指令），計算PC值（跳轉(zhuǎn)指令）等
  • 執(zhí)行階段：執(zhí)行指令，包括：訪問存儲器（load/store指令），ALU運算（計算類指令），刷新PC值（跳轉(zhuǎn)指令）等
  • 回寫階段：將結(jié)果存入寄存器中，包括：ALU的運算結(jié)果（計算類指令），訪存結(jié)果（load指令），原PC值（帶返回跳轉(zhuǎn)指令）等
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