计算机系统结构知识点讲义第十讲——MIPS指令集架构

引言

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）作为经典RISC架构的代表，其设计哲学深刻影响了现代处理器的发展。MIPS架构通过精简指令、统一编码、流水线优化等设计，实现了软硬件协同的高效运行。本讲将结合理论模型与实践案例，深入解析MIPS架构的核心要素。

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一、MIPS的寄存器设计

1. 寄存器组织架构表

寄存器名	编号	功能描述	调用约定
$zero	0	恒零寄存器	不可修改
$at	1	汇编器保留	临时变量
v0−v0−v1	2-3	函数返回值	调用者保存
a0−a0−a3	4-7	函数参数传递	调用者保存
t0−t0−t9	8-15,24-25	临时寄存器	调用者保存
s0−s0−s7	16-23	保存寄存器	被调用者保存
k0−k0−k1	26-27	内核专用	系统保留
$gp	28	全局指针	静态数据寻址
$sp	29	栈指针	函数栈管理
$fp	30	帧指针	可选栈帧基准
$ra	31	返回地址	子程序跳转

设计特点：

• 32个通用寄存器（32位架构）实现快速数据存取
• 硬件零寄存器（$zero）消除零值加载开销
• 调用约定分离（Caller/Callee-Saved）提升子程序效率

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二、MIPS的数据表示

1. 基础数据类型表

数据类型	位宽	存储方式	对齐要求
字节（Byte）	8位	补码/ASCII	任意地址
半字（Half）	16位	补码	地址末位为0
字（Word）	32位	补码/IEEE 754单精度浮点	地址末两位为0
双字（Double）	64位	IEEE 754双精度浮点	地址末三位为0

关键规范：

• 大端序存储（Big-Endian）为主流实现
• 非对齐访问触发异常（AdEL/AdES）
• 浮点数据独立使用协处理器寄存器（f0−f0−f31）

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三、MIPS的数据寻址方式

1. 五类寻址模式

（1）立即数寻址

• 应用指令：addi $t0, $t1, 0x100
• 取值范围：16位有符号数（-32768~32767）

（2）基址+偏移寻址

• 地址计算：EA = base + offset
• 典型指令：lw $t0, 0x2000($s1)

（3）PC相对寻址

• 跳转范围：±128KB（18位符号扩展）
• 应用场景：条件分支指令beq $s0, $s1, label

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四、MIPS的指令格式

1. 统一编码结构表

指令类型	字段划分（32位）	典型指令
R型	op(6)	rs(5)
I型	op(6)	rs(5)
J型	op(6)	target(26)

• ​R类指令（寄存器操作）​​

  • 结构：6位操作码 + 5位rs + 5位rt + 5位rd + 5位shamt + 6位funct。
  • 示例：DADDU R1, R2, R3（功能码指定无符号加法）。

• ​I类指令（立即数操作）​​

  • 结构：6位操作码 + 5位rs + 5位rt + 16位立即数。
  • 示例：LW R2,40(R3)（从内存地址40+R3装入字到R2）。

• ​J类指令（跳转操作）​​

  • 结构：6位操作码 + 26位跳转偏移。
  • 示例：J name（直接跳转到目标地址）。

设计精髓：

• 固定32位长度简化流水线设计
• 功能码复用（funct字段）扩展指令集
• 立即数分段处理实现大范围地址覆盖

2. 特殊格式指令案例

指令类型	格式示例	编码特性
移位指令	sllv $rd, $rt, $rs	使用rs寄存器值作为移位量
乘除指令	mult $rs, $rt	结果存入HI/LO寄存器
原子操作	ll $rt, offset($rs)	原子加载（需配合sc使用）
浮点指令	lwc1 $ft, offset($rs)	协处理器专用opcode=0x31

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五、MIPS的操作类型

1. 数据搬运类指令

指令类型	汇编语法	功能描述
立即数	li $t0, 0x1234	加载32位立即数（伪指令）
寄存器	move $s1, $s2	寄存器间拷贝（伪指令）
内存加载	lw $t0, 0($sp)	加载字（32位）
	lb $t1, ($a0)	加载字节（符号扩展）
	lui $t2, 0xFFFF	加载高16位立即数
内存存储	sw $t3, 4($gp)	存储字
	sb $t4, ($a1)	存储字节

2. 算术逻辑类指令

（1）基础ALU运算

add $t0, $t1, $t2    # 有符号加法（溢出触发异常）
addu $t3, $t4, $t5   # 无符号加法（常用于地址计算）
sub $a0, $a1, $a2    # 有符号减法
and $v0, $v1, $a3    # 位与运算
xor $s0, $s1, $s2    # 位异或运算

（2）移位运算

sll $t0, $t1, 3      # 逻辑左移3位（空位补0）
srl $t2, $t3, 2      # 逻辑右移2位
sra $t4, $t5, 1      # 算术右移1位（符号位保持）

（3）乘除运算

mult $t0, $t1        # 有符号乘（结果存HI/LO）
div $a0, $a1         # 有符号除（HI=余数，LO=商）
mfhi $s0             # 将HI寄存器值移至通用寄存器
mflo $s1             # 将LO寄存器值移至通用寄存器

3. 特殊功能指令

指令类型	汇编语法	功能描述
空操作	nop	填充延迟槽（实际是sll 0,0,0,0）
系统调用	syscall	触发操作系统服务
断点调试	break 0x1234	产生调试异常
协处理器	mtc0 $t0, $12	写CP0寄存器（用于异常处理）

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六、MIPS的控制指令

1. 条件分支指令集

指令格式	功能描述	延迟槽处理
beq $rs, $rt, label	相等时跳转（PC←PC+4+offset×4）	必须填充有效指令
bne $rs, $rt, label	不等时跳转	常用nop或有用指令填充
bgtz $rs, label	大于零跳转	示例：bgtz $s0, loop
blez $rs, label	小于等于零跳转	需要配合slt指令实现复杂条件

2. 跳转与子程序指令

（1）绝对跳转

j 0x00400000     # 直接跳转到指定地址
jr $ra           # 跳转到$ra保存的返回地址

（2）过程调用

jal proc_name    # 1. $ra←PC+4  
                 # 2. PC←目标地址
jalr $t0         # 跳转到$t0地址，同时保存$ra

（3）延迟槽编程技巧

beq $s0, $s1, target
addi $t0, $t0, 1   # 延迟槽指令总被执行

3. 异常控制指令

指令格式	触发条件	典型应用场景
teq $rs, $rt	rs=rt时触发陷阱	除零检测
tne $rs, $rt	rs≠rt时触发陷阱	空指针检查
syscall	系统调用	输入输出操作
eret	从异常返回	中断处理例程结尾

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七、MIPS的浮点操作

1. 浮点处理单元

（1）数据移动指令

• lwc1 $f2, 0($t0) 加载单精度浮点数
• sdc1 $f4, 8($t1) 存储双精度浮点数

（2）运算指令特点

• 独立控制状态寄存器（FCSR）管理异常标志
• 非精确异常模式提升流水线效率

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结语：MIPS架构的设计哲学

MIPS的成功源于三大核心原则：

1. 精简指令：通过Load/Store架构减少访存指令占比至15%
2. 流水线友好：统一指令格式使5级流水线CPI降至1.2
3. 软硬件协同：编译器优化弥补硬件简化带来的代码膨胀

当前MIPS架构在嵌入式与教学领域仍具生命力，其设计思想深刻影响了RISC-V等新一代架构的发展。理解MIPS的精髓，是掌握现代处理器设计方法论的重要基石。