3.5 MIPS体系结构

Posted 2020-11-19 narisu

计算机组成

3 指令系统体系结构

3.5 MIPS体系结构

MIPS是精简指令系统的代表，采用了与X86相反的设计理念，并引领了精简指令系统的潮流，那就让我们一起来看一看这究竟是怎么一回事。

要探讨MIPS指令系统，就得从它的设计者John Hennessy开始说起。Hennessy 1977年进入斯坦福大学，81年领导了RISC微处理器研究小组，他也被称为RISC的先驱。RISC是精简指令系统计算机的简称。与之相对，之前的计算机上的指令系统就被称为复杂指令系统，X86就是其中的代表。后来，Hennessy 共同创立了MIPS计算机系统公司。90年代，他主要是在斯坦福计算机系担任系主任等职务，2000年起开始担任斯坦福大学的校长。由于他所设计的MIPS体系结构引领了精简指令系统的潮流，后来还获得了IEEE的荣誉奖章，而他所创立的MIPS公司也一度创造了辉煌。

在80年代末上市，后来被收购，然后再一次上市，再一次被收购。现在MIPS处理器已经不再应用在计算机产品中了，但是在广义的计算设备包括数字电视，游戏机，网络设备等领域仍然有广泛的应用，其实MIPS公司商业上的兴衰也是诸多 RISC微处理器公司的命运写照。

第一代的MIPS是32位的， 在1985年推出了对应的处理器，R2000；

90年，R3000处理器对应着第二代的MIPS；

92年，MIPS扩展到了64位；94年，64位的MIPS又进一步升级；

96年的MIPS5并没有对应的处理器；

然后在99年，MIPS指令系统进行了较大的调整，形成了MIPS32；

到了99年，以MIPS5为基础，推出了MIPS64指令系统。

MIPS的设计指导思想非常的简单，从它的名字就可以看出来。MIPS全称的含义是一个流水线不会互锁的微处理器。流水线是现代微处理器为提高性能而采用的一项技术，而流水线中的互锁则是导致流水线性能降低的一个非常重要的因素。从这个名称也可以看出，MIPS的指导思想是希望其指令的设计能让微处理器运行的更快，性能更好。所以它主要的关注点是减少指令的类型，并且降低指令的复杂度，所以在MIPS指令系统当中，指令的总数是很少的。而且每条指令都比较简单。它的主要目的就是希望可以用一个非常简单的CPU来支持这样的指令系统。而CPU越简单就可以运行的更快。假设要编写程序完成同样的任务，用MIPS指令编写，其指令数量是X-86指令的5倍，但是如果MIPS的CPU能够做到比X86 CPU快10倍，那它仍然获得了明显的性能优势。这就是MIPS，同时也是RISC的设计思想。

那MIPS的指令是怎么体现它这样的设计思想的呢？

第一，MIPS固定了指令的长度，都是32个比特，也就说MIPS中的一个WORD。我们要注意这和X86中一个WORD是16位是不同的。固定的指令长度，大大简化了CPU从存储器中取指令的工作。不用像X86 CPU那样需要判断每条指令的长度。

第二，MIPS采用了非常简单的寻址模式。相比于X86提供的复杂多样的寻址模式， 虽然给编程带来了不便，但是大大简化了CPU访问存储器的控制逻辑。

第三，MIPS指令的数量比较少，每条指令的工作也很简单。基本上一条指令只完成一个操作，不像X86的指令，一条指令往往完成丰富的功能，这样可以简化指令的执行过程。不但简化了CPU的控制逻辑，而且可以方便的实现各种让指令并行执行的技术，从而提高CPU的性能。

第四，在MIPS指令系统中只允许LOAD和STORE这两种指令访问存储器，而不支持X86指令中这些让算术指令访问存储器的操作，因为访存是一个相对复杂的工作。

这种限制就可以让运算指令的实现变得非常的简单。但是我们要注意，MIPS的这些特点让直接使用MIPS指令进行编程变得非常的困难，因此，想要有高效率的MIPS程序，必须要有优秀的编译器的支持。我们来看几个MIPS指令的例子。

例如加法指令，它的格式是ADD a, b, c

我们注意，与X86指令不同，MIPS的加法指令是三个操作数 a, b, c ，这三个操作数可以是三个寄存器。除了加法运算，这里还列出了减法，乘法，除法等等。还有逻辑运算，还有左移和右移这样的移位运算。这里我们可以看出MIPS的运算指令格式都非常简洁和统一，而且这些指令的操作数都不可以是存储器操作数。要访问存储器，就必须使用专门的访存指令。

我们来看一个例子，假设A是一个100个字的数组，它的首地址存放在19号寄存器中，MIPS的寄存器编号用$符进行标记。

那如果我们想完成 A[10] = h + A[3] 这样的运算，也就说将一个变量h加上数组A中的第三个元素，并赋给数组A的第十个元素。我们注意，变量h放在18号寄存器中，而我们可以使用8号寄存器用来存放临时数据。那么对应的MIPS指令需要如下几条：

首先要用LOAD指令，将19号寄存器对应的地址加上偏移量12，因为MIPS当中一个字是32位，所以第三个元素与首地址之间的偏移是12。将19号寄存器对应的地址加上偏移量12计算得到的存储器地址中的这个字装入到8号寄存器中，这就相当于将数组A中的第三个元素赋给了一个临时变量。

第二句是一个加法指令，将8号寄存器与18号寄存器相加， 并将结果存放在8号寄存器。这就相当于将数组A的第三个元素与变量h相加，还存在这个临时变量中。

第三条指令是将8号寄存器中的数，也就是运算的结果存到以19号寄存器为首地址，偏移量为40的内存单元，这就是数组A的第十个元素的位置。

那我们用这三条MIPS指令就完成了这个功能。

而这张表列出了MIPS的所有的通用寄存器，总共有32个，每个都是32位。相比于X86的寄存器，MIPS的通用寄存器是非常规整的。这32个寄存器的编号从0一直到31，那我们可以用$符加上编号进行指示。同时每个寄存器还有一个符号的名称，并且约定了一些特定的用途，例如8号到15号寄存器，又被称为t0到t7的寄存器，用来保存临时的变量。而1号寄存器，它的名称是 at，专门留给汇编器使用。

在编写汇编程序时，我们可以用数字，也可以用名称，来表示这些寄存器。例如 lw 这两条指令所表达的含义以及对应的二进制编码都是一样的。add 这两条指令也是如此。如果我们直接用MIPS指令进行汇编语言的编程，从t0到t7，s0到s7，这些寄存器都是我们经常使用的。MIPS 的体系结构简明扼要，需要说明的就是这些。

我们已经了解了MIPS的设计理念，那这样的理念究竟是如何实现的呢？在下一节我们将一起来探究MIPS的指令。