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MIPS指令集（一）基本操作

news 来源：原创 2025/6/19 6:13:47

计算机硬件的操作数

存储器操作数

常数或立即数操作数

有符号数和无符号数

指令的格式

逻辑操作

决策指令

循环

计算机硬件的操作数

先从一条C语句入手

a = b + c;

将其翻译为MIPS

add a, b, c

其中a，b，c就是这条指令的操作数。表示将b与c的和放入a中。

加法指令只有三个操作数，也就是说只能一次完成两个数相加，下面的指令序列会完成四个数相加

add a, b, c
add a, a, d
add a, a, e

只能一次完成两个数相加体现了硬件简单性的设计原则。下面会知道，使用指令实际上不会写诸如a,b,c之类的字符，而是使用寄存器。

与高级语言不同，MIPS的算术运算被要求操作数只能来自寄存器。寄存器是构成计算机的基本单元。在MIPS体系结构中寄存器大小为32位，同时拥有32个寄存器。在MIPS体系结构中也常把32位称作一个字（word）。

MIPS在使用寄存器时，用'$'后跟两个字符表示寄存器。用$s0,$s1...表示类似C语言中的变量所对应的寄存器，用$t0,$t1...表示临时变量对应的寄存器。

a = (b + c) - (d + e)

以该C赋值语句为例，将其翻译为MIPS指令，假设s0,...s4分别对应存储了a,..e

add $t0, $s1, $s2 #b+c的结果存在临时变量寄存器t0中
add $t1, $s3, $s4 #同上
add $s0, $t0, $t1

MIPS中#后是注释，注意这种语言一行只有一条指令，且注释是在一行的末尾结束

存储器操作数

高级语言中常有数组和结构体，而且往往大小不止一个字，这种数据结构就会存储在内存中，而内存就是存储器，磁盘更习惯叫做io设备。

由于MIPS算术指令只能操作寄存器，因此必须有一种手段，能将内存中的数据加载到寄存器中。

这些指令叫做数据传输指令。

为了访问内存中的字，必须给出地址。内存中的地址是按字节编排的，也就是说每个相邻的地址相差1

图中每一块大小一个字节。

将数据从内存加载到寄存器通常称为取数（load）指令，实际MIPS取数指令助记符是lw，操作数有三个，第一个表示要把数据存到哪个寄存器，第二个是地址偏移量（单位为字节，要求是常数），第三个是基址寄存器。

a = b + A[8];

假设a存在s0，b存在s1，A地址存在s2。

lw $t0, 32($s2) #一个字大小为32位，也就是4字节，8个字就得偏移32字节
add $s0, $s1, $t0

MIPS字的起始地址是4的倍数，这叫做对齐限制。字在内存中如图存储。

MIPS还有一类指令是将寄存器中的数据复制到存储器中，叫做存数（store）指令。MIPS记作sw，用法与lw类似，只是第一个操作数代表要从哪个寄存器中得到数据。

常数或立即数操作数

仅仅从已经介绍的指令来看，要使用常数，只能从存储器取出（lw），如要将a+4

lw $t0, AddrConstant($s1)#AddrConstant为某一常数偏移量,将4加载到t0
add $s0, $s0, $t0

如果要避免使用取数指令，可使用addi指令

addi $s0, $s0, 4

像这种加法叫加立即数（add immediate），常数操作数出现频率高，像这种带立即数的指令，比从存储器种取值快很多，能耗也较低。

常数0可简化指令集。例如，数据传输指令可视为操作数为0的加法。MIPS将$zero恒置为0，编号也为0

有符号数和无符号数

有符号数在MIPS中用补码表示。需要注意的是，当不满32位的数被存储时，高位会补上符号位。

像0100，存在寄存器中

00000000 00000000 00000000 00000100

1100，存在寄存器中

11111111 11111111 11111111 11111100

MIPS有一些末尾为u的指令操作无符号数，具体后面可以见到。

指令的格式

指令以二进制的形式存储，现在我们可以把指令翻译成二进制。

所有的寄存器会被映射为数字，$s0~$s7映射到16~23， $t0~$t7映射到8~15。

add $t0, $s1, $s2

以该指令为例，先将其翻译为十进制，再转为二进制。

机器指令分为多个字段，本例第一个和最后一个告诉MIPS计算机要执行加法操作，第二个和第三个表示源操作数寄存器，第四个字段表示存放结果的寄存器，第五个字段没有用到，故置为0。

截取《计算机组成与设计硬件/软件接口》中相关说明

这种指令格式在某些场景可能不适用，如lw指令需要传入偏移量，5位是不够用的，这时，想要增加位数，但是MIPS的设计是，所有指令的长度都相同，这样，就会采取折中方案：所有指令长度相同，但不同类型指令采用不同指令格式。如上述指令就是R型。另一种是I型，用于传输立即数。

在这种I型格式中，立即数大小仍然有限制。可以看到这种格式下，很难增加寄存器的数量，因为寄存器序号会使得rs,rt字段增加位。

逻辑操作

一张图即可解决，用法也与其他指令类似。

决策指令

计算机的运算能力强大，但计算机与计算器的差别在于计算机能执行决策指令，也就是条件分支指令。MIPS有两条类似C语言 if和 go to的指令

beq regsiter1, register2, L1

表示若寄存器register1 和register2的值相等，跳转到L1标签。beq（branch if equal），相等则分支。

bne regsiter1, register2, L1

表示若寄存器register1 和register2的值不等，跳转到L1标签。bne（branch if not equal），不等则分支。

还需介绍另一种分支指令——无条件分支

j L1

j为jump的缩写

if (i == j) f = g + h;
elsef = g - h;

现在将该C语句编译为MIPS指令。

假设i存在s0，j存在s1，f，g，h分别存在s2，s3，s4

bne $s0, $s1, Else
add $s2, $s3, $s4
j Exit
Else: sub $s2, $s3, $s4
Exit:

循环

条件分支指令可以实现循环

while (save[i] == k)i += 1;

假设i和k存在s3和s5中，save的基址存在s6中。

Loop: sll $t1, $s3, 2 #需要将i×4
add $t1, $s6, $t1
lw $t0, 0($t1)        #要求偏移量为常数
bne $t0, $s5, Exit
addi $s3, $s3, 1
j Loop
Exit:

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存储器操作数

常数或立即数操作数

有符号数和无符号数

指令的格式

逻辑操作

决策指令

循环

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