MIPS指令集与简要分析R格式指令I格式指令J格式指令指令分析
MIPS指令集与简要分析R格式指令I格式指令J格式指令指令分析
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 | 100101 | 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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