MIPS指令集与简要分析

R格式指令

基本格式

标记 op rs rt rd shamt funct
位数 31-26 25-21 20-16 15-11 10-6 5-0
功能 操作符 源操作数寄存器1 源操作数寄存器2 目的操作数寄存器 位移量 操作符附加段

指令

算数类指令

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（无符号数）
sub 000000 rs rt rd 00000 100010 rd=rs-rt
subu 000000 rs rt rd 00000 100011 rd=rs+rt（无符号数）
slt 000000 rs rt rd 00000 101010 rd=(rs<rt)?1:0
sltu 000000 rs rt rd 00000 101011 rd=(rs<rt)?1:0（无符号数）

逻辑类指令

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)

位移类指令

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（符号位保留）
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（符号位保留）

跳转指令

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

标记 op rs rd im
位数 31-26 25-21 20-16 15-0
功能 操作符 源操作数寄存器 目的操作数寄存器 立即数

指令

算数指令

指令 op rs rd im 功能
addi 001000 rs rd im rd=rs+im
addiu 001001 rs rd im rd=rs+im（无符号数）
slti 001010 rs rd im rd=(rs<im)?1:0
sltiu 001011 rs rd im rd=(rs<im)?1:0（无符号数）

逻辑类指令

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

载入类指令

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

跳转类指令

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

标记 op address
位数 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格式指令为纯寄存器指令，所有的操作数（除移位外）均保存在寄存器中。Op字段均为0，使用funct字段区分指令
  • I格式指令为带立即数的指令，最多使用两个寄存器，同时包括了load/store指令。使用Op字段区分指令
  • J格式指令为长跳转指令，仅有一个立即数操作数。使用Op字段区分指令

数据通路

以上的指令包括以下几种与指令有关的数据通路：

  • 指令——寄存器组：R格式指令均为寄存器指令，需要指令提供寄存器地址
  • 指令——运算单元（ALU）：运算指令由指令提供运算类型，同时提供参与运算的立即数和位移量
  • 指令——存储器：load/store指令的寻址方式仅为寄存器偏移量寻址，需要指令提供立即数偏移量
  • 指令——PC：J格式指令需要将指令中的立即数载入PC中

同时还有几种必备的与指令无关的数据通路：

  • 寄存器组——运算单元（ALU）：寄存器组为运算单元提供操作数，运算结果存在寄存器组中
  • 寄存器组——存储器：load/store指令的两端
  • 寄存器组——PC：跳转指令与寄存器组有关

当使用哈弗结构时，数据通路框图如下所示：

MIPS_dataflow.png

流水线划分

若使用流水线实现，可以将流水线划分为：取指->译码->准备操作数->执行->回写四个阶段：

  • 取指阶段：按PC从指令寄存器中取出完整的32位指令，之后PC自增
  • 译码阶段：按指令的高6位（Op字段）将指令解释为相应的格式
  • 准备操作数阶段：按指令中的对应字段准备操作数，包括：计算地址（load/store指令），取出寄存器中的操作数置于数据总线（寄存器指令），计算PC值（跳转指令）等
  • 执行阶段：执行指令，包括：访问存储器（load/store指令），ALU运算（计算类指令），刷新PC值（跳转指令）等
  • 回写阶段：将结果存入寄存器中，包括：ALU的运算结果（计算类指令），访存结果（load指令），原PC值（带返回跳转指令）等
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