1.MIPS为美国芯片设计公司，它采用的是精简指令系统计算结构（RISC结构）（与之对应的：（复杂指令集）CISC结构）。MIPS架构的产品多见于工作站（索尼PS2的Emotion Engine处理器）。RISC比CISC的设计更加简单，由于其授权费用低，被INTEL外的大多数厂商使用。同时在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高计算机性能，并简化硬件设计。

2.MIPS 是最早的，最成功的RISC处理器之一，源于Stanford 大学的John Hennessy 教授的研究成果。（Hennessy 于1984年在硅谷创建了MIPS公司）。MIPS是（Microcomputer without interlocked pipeline stages）的缩写，含义是无互锁流水级微处理器。

3.MIPS的指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、 MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。应用广泛的32位MIPS CPU包括R2000，R3000 其ISA都是MIPS I，另一个广泛使用的、含有许多重要改进的64位MIPS CPU R4000及其后续产品，其ISA版本为MIPS III。龙芯2E微处理器是一款实现64位MIPSⅢ指令集的通用 RISC处理器，与X86指令架构互不兼容；芯片面积 6.8mm×5.2mm；最高工作频率为1GHz；实测功耗5-7瓦。由于与X86指令的不兼容，龙芯2E无法运行现有的Windows 32/64位操作系统，和基于Windows的众多应用软件。

二、MIPS体系结构

1.寄存器特点：

MIPS 包含32个通用寄存器（$0-$31均为32 位），硬件没有强制性的指定寄存器使用规则，但是在实际使用中，这些寄存器的用法都遵循一系列约定，寄存器约定用法引入了一系列的寄存器约定名。在使用寄存器的时候，要尽量用这些约定名或助记符，而不直接引用寄存器编号。

（1）两个特殊寄存器：

$0：不管你存放什么值，其返回值永远是零。

$31：永远存放着正常函数调用指令(jal)的返回地址。

（2）$at ：

由编译器生成的复合指令使用，

（3）$v0, $v1：

用来存放一个子程序 (函数) 的非浮点运算的结果或返回值。如果这两个寄存器不够存放需要返回的值，编译器将会通过内存来完成。

（4）$ a0-a3：

用来传递子函数调用时前4个非浮点参数。

（5）$ t0-t9:

依照约定，一个子函数可以不用保存并随便的使用这些寄存器。在作表达式计算时，这些寄存器是非常好的暂时变量。当调用一个子函数时，这些寄存器中的值有可能被子函数破坏掉。所以也是最不安全的。

（6）$ s0-s8:

依照约定，子函数必须保证当函数返回时这些寄存器的内容必须恢复到函数调用以前的值，或者在子函数里不用这些寄存器或把它们保存在堆栈上并在函数退出时恢复。这种约定使得这些寄存器非常适合作为寄存器变量、或存放一些在函数调用期间必须保存的原来的值。（类比：x86汇编中的函数序言和函数尾声）

（7）$ k0, k1:

被OS的异常或中断处理程序使用。被使用后将不会恢复原来的值。因此它们很少在别的地方被使用。

（8）$gp:

如果存在一个全局指针，它将指向运行时决定的静态数据(static data)区域的一个位置。这意味着，利用gp作基指针，在gp指针32K左右的数据存取，系统只需要一条指令就可完成。该指令如图：

如果没有全局指针，存取一个静态数据区域的值需要两条指令：一条是获取有编译器和loader决定好的32位的地址常量。另外一条是对数据的真正存取。为了使用$ gp, 编译器在编译时刻必须知道一个数据是否在$ gp的64K（上下32k）范围之内。并不是所有的编译和运行系统支持gp的使用。

（9）$ sp:

堆栈指针的上下需要显式的通过指令来实现。因此 MIPS通常只在子函数进入和退出的时刻才调整堆栈的指针。这通过被调用的子函数来实现。SP通常被调整到这个被调用的子函数需要的堆栈的最低的地方，从而编译器可以通过相对於sp的偏移量来存取堆栈上的堆栈变量。

（10）$ fp（另外的约定名是s8）:

fp作为框架指针可以被函数用来记录堆栈的情况，在一个过程中变量相对于函数指针的偏移量是不变的。（相对地址）一些编程语言显示的支持这一点。汇编编程员经常会利用fp的这个用法。C语言的库函数 alloca()就是利用了fp来动态调整堆栈的。

注意：如果堆栈的底部在编译时刻不能被决定，你就不能通过$ sp 来存取堆栈变量，因此 $ fp被初始化为一个相对于该函数堆栈的一个常量的位置。这种用法对其他函数可以是不可见的。

（11）$ ra:

当调用任何一个子函数时，返回地址存放在ra寄存器中，因此通常一个子程序的最后一个指令是： jr ra .子函数如果还要调用其他的子函数，必须保存ra 的值，通常通过堆栈。

（12）其他方面：

MIPS里没有状态码。CPU状态寄存器或内部都不包含任何用户程序计算的结果状态信息。

hi 和 lo 是与乘法运算器相关的两个寄存器，是用来存放结果的地方。它们并不是通用寄存器，除了用在乘除法之外，也不能有做其他用途。 MIPS里定义了一些指令可以往hi和lo里存入任何值。

浮点运算协处理器 (浮点加速器，FPA)，如果存在的话，有32个浮点寄存器。按汇编语言的简单约定讲，是从$f0到$f31。

实际上，对於MIPS I和MIPS II的机器，只有16个偶数号的寄存器可以用来做数学计算。当然，它们可以既用来做单精度(32位)和双精度(64位)。当你做一个双精度的运算时，寄存器$f1存放$f0的余数。奇数号的寄存器只用来作为寄存器与FPA之间的数据传送。MIPS III CPU有32个FP寄存器。但是为了保持软件与过去的兼容性，最好不要用奇数号的寄存器。

对比一下x86寄存器结构：

寄存器约定小结：

2.整数乘法单元和寄存器

MIPS体系结构认为乘法非常重要，应该用硬件实现乘法指令，这在RISC CPU中并不常见。乘法结果寄存器是互锁的：只有在整数乘法运算完成，得到完整的结果后，才能读取结果寄存器。牺牲速度以换取执行简单和节省芯片空间。

3.寻址方式

只有加载或存储指令可以访问存储器。存储器的寻址方式为基址-偏移寻址（存储单元的地址是某个寄存器与指令中的偏移量之和）。

4.存储器和寄存器中的数据类型

MIPS CPU的一次操作可读出或写入1~8个字节的数据，*MIPS编译器提供了64位指针，它把long解释成64位数据，总之long不应该小于int 。

三、MIPS指令与汇编

1.指令格式

对于一条汇编语言指令来说，有两个问题要解决：

• 要指出进行什么操作

• 要指出大多数指令涉及的操作数和操作结果放在何处

操作数

在MIPS中字（4个字节）的地址必须是4的倍数，存取数据时可以避免一个数据分两次存取。

MIPS有三种指令格式：（所有指令都是32 位长）

（1）R-型指令：

一条32位的MIPS R型指令按下表bit数划分为 6个字段：6 + 5 + 5 + 5 + 5 + 6 = 32bit

6 5 5 5 5 6

实例： add $8, $17, $18 # $8 = $17 + $18

第一个操作数是寄存器$17,第二个寄存器是$18,目的寄存器结果是$8.该指令没有移位。因为，加法是运算指令，指令操作类型码op是0，funct是32。

所以格式是：

$ 17

$18

$ 8

（2）I-型指令

一条32位的MIPS I型指令按下表bit数划分为4 个字段： 6 + 5 + 5 + 1 6 = 32bit

6 5 5 16

I-型指令分类：装入/存储指令、分支指令和立即数运算指令

数据装入：Rt = Mem[Rs + Address]

数据存储：Mem[Rs + Address] = Rt

实例： lw $s1, 100($s2) # 暂时寄存器 $s1=A[i]，并假设Astart= 100

第一个操作数是寄存器 $s2 , 第二个操作数是寄存器$s1 ；数组的起始地址是Astart，称为表头地址.

所以这条指令的格式是：

$s2

$s1

100

分支指令： if (Rs <relation> Rt) goto (PC+4) + Address （PC 为程序计数器，指向当前执行的指令）

分支指令采用的寻址方式为 PC相对寻址 ——分支目标的地址是（PC+4）（下一条指令的地址）与指令中的偏移量之和

立即数运算指令 ： addi $21, $22, -50 （立即数可以为十进制） # 将 $22 与 -50 相加，并将结果保存在 $21 中。

所以这条指令的格式是：

$22

$21

-50

（3） J-型指令：

一条32位的MIPS J型指令按下表bit数划分为 2 个字段： 6 + 26 = 32bit

6 26

操作码目标地址

2.寻址方式

（1）寄存器寻址：MIPS算术运算指令的操作数必须从32个32位寄存器中选取

实例：

（2）立即数寻址：

以常数作为操作数，无须访问存储器就可以使用常数。因为常数操作数频繁出现，所以在算术指令中加入常数字段，比从存储器中读取常数快得多。

实例：

addi $sp, $sp, 4（常数） # $ sp =$ sp + 4

小问题：怎么样将一个32 位的常数装入寄存器 $s0 中呢？？？

（分两次装入，先装入高16位，在装入低16 位）如图：

0000 0000 0011 1101（高16位） 0000 1001 0000 0000 （低16位）

61 2304

（3）基址或偏移寻址：

操作数在存储器中，且存储器地址是某寄存器与指令中某常量的和。

实例：

Lw $t0, 8 ($ s0 ) # $s0 中装的是存储器中的地址

（4）PC相对寻址

实例：

条件分支指令 bne $s0, $s1, Exit #如果 $s0不等于 $s1，则跳转到 Exit

PC = PC + 分支地址

问题1：为什么选PC寄存器？

因为几乎所有的条件分支指令都是跳转到附近的地址。

问题2：如何处理16位无法表达的远距离分支？

插入一个无条件跳转到分支目标地址的指令，把分支指令中的条件变反以决定是否跳过该指令。

（5）伪直接寻址：

跳转地址= PC中原高4位 + 指令中的26位 + 00 （32位地址）

寻址方式总览：

3.指令系统

（1）数据传送指令

（2）算术/逻辑指令

每条指令有且仅有3个操作数，且只执行一个操作

R格式——ALU指令的格式

Rs、Rt、Rd为寄存器编号

Funct字段为指令功能代码

乘法除法（multiply / divide）指令演示图：

算术指令总体概览图：

无符号整数一般都是用来表示存储器地址，溢出即使发生，也大多数被忽略掉了，因此 MIPS采用了两种不同的算术运算指令来分别处理。

（ 1 ） addu, addiu, subu在发生溢出的时候不产生异常

（ 2 ）add, addi, sub在发生溢出时产生异常

发生溢出的情况：

加法：两正数相加结果为负，两负数相加结果为正

减法：正数减负数结果为负，负数减正数结果为正

MIPS在检测到溢出发生时会产生一个异常，造成溢出指令的地址被存到一个特定寄存器中

乘法：multu Hi不为 0 ，mult Hi各位不等于Lo符号位

MIPS 乘 /除法指令都忽略了溢出的情况，程序必须自己判断得到的积 /商是否超出了32位寄存器能表示的范围，还必须自己处理除零操作

逻辑指令总体概览图：

说明：

MIPS的符号位扩展;

那么什么时候立即数被符号位扩展呢？

算术指令总是将立即数做符号位扩展即便指令是无符号的!

逻辑指令（andi, ori通常处理无符号数）不对立即数做符号位扩展 (They are zero extended)

load / store指令地址计算时总是扩展立即数

乘 / 除指令任何情况下都不进行扩展，总是当成 usigned

addiu 在执行前也要将指令中的立即数进行符号位扩展，因为：虽然U代表无符号数，但是addiu事实上都被看作一条不会发生溢出的add指令，因此常用它来加上一个负的立即数。

（3）控制类指令

如果要实现其他比较功能，则需要两个以上的指令

基本上都是与零比较（这个速度快）

控制类指令概览：（跳转分支和比较指令）

四、杂记（MIPS计算机硬件对函数调用（过程）的支持）

1.为新数据分配空间

利用堆栈去存储函数调用的过程中不适合用寄存器保存的局部变量（如局部数组或结构）。

过程框架：也叫活动记录，是指包含了函数调用（过程）保存的寄存器和局部变量的堆栈段。下图给出了过程调用之前、之中和之后的堆栈状态。

框架指针$fp指向框架的第一个字，通常是保存调用的参数寄存器。栈指针$sp指向栈顶，在程序执行的过程中栈指针有可能改变。因此通过固定的框架指针来访问变量要比用栈指针更简便。如果一个过程的栈中没有局部变量，编译器将不设置和恢复框架指针，以节省时间（主要是通过 $fp 来访问局部变量）。当需要框架指针时，以调用时的$sp值作为框架指针的初值，调用返回时，根据$fp恢复$sp值。

2.MIPS 程序和数据的存储器空间使用约定

从顶端开始，对栈指针初始化为 7fffffff，并向下向数据段增长；在底端，程序代码（文本）开始于 00400000；静态数据开始于10000000；紧接着是由C中malloc进行存储器分配的动态数据，朝堆栈段向上增长。

全局指针被设定为易于访问数据的地址，以便使用相对于$gp 的±16位偏移量 0x1000 0000 -- 0x1000 ffff

在32位MIPS体系结构下，最多可寻址4GB地址空间。在4GB空间情况下内存地址空的分配如下图：

MIPS体系结构下，程序计数器（PC）不是一个寄存器，在一个具有流水线的CPU中，程序计数器的值在一个给定的时刻有多个可选值，但可见的只有一个。

至此，本文的长篇大论终于结束了，希望能够对阅读的朋友有些帮助。若有错误恳请指出，共同学习进步！欢迎有问题的朋友评论，一起交流讨论。

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