MIPS32架构与指令集初步
MIPS32架构与指令集初步
拆透MIPS32：指令如何编码、寄存器如何分工、流水线在何处翻车
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MIPS32架构与指令集初步
拆透MIPS32：指令如何编码、寄存器如何分工、流水线在何处翻车
MIPS32架构与指令集初步-1
上一节我们把MIPS放进CPU指令集版图。本节定义：MIPS32是32位RISC指令集架构，由MIPS公司1985年商业化。Load/Store与定长指令是它的两道标签。
所有指令32位等长=所有集装箱同尺寸，吊车只需一种抓取动作，取指/译码可流水线化
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CPU不懂自然语言，只能认32位长的固定二进制。MIPS32把这32位切成三种句式来表达不同意图——像中文有陈述、祈使、感叹三种句式一样，各司其职。
陈述句=I型描述事实，祈使句=J型下跳转命令，复合句=R型多寄存器组合
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上页讲 MIPS32 是 RISC：所有指令都是 32 位定长。但同样 32 位，加法要装三个寄存器号加功能码，跳转要装下整个目标地址——所以字段布局分 R/I/J 三种。
不同操作对应不同字段布局，关键字段位置固定——就像不同格子填特定信息
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上一页讲到 beq/bne 会改 PC，但流水线里 IF 已经把下一条指令取上来了。这条紧跟分支的指令，到底执行不执行？
厨师已接到这道菜，不论后面改不改主意，菜都会做完端上来
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上页我们把指令拆成字段看，但 CPU 执行时还得解决一个问题：操作数到底在哪里？靠「寻址模式」来回答。
口袋里摸(寄存器)、手上写地址(立即)、给路名+门牌号(基址)、「往前走N步」(PC相对)
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上一页拆解了指令的二进制格式，但光知道字段怎么划分还不够——字段里的数字到底怎么变成实际地址？这页看 MIPS32 的五种寻址方式。
门牌号→立即数；工位号→寄存器；楼层+房号→基址+偏移；离当前位置远近→PC相对；区域+街道→伪直接
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前几页讲了 beq、bne 这些分支指令会改 PC、让 CPU 跳走。但 MIPS 有个反直觉细节：分支之后的下一条，无论跳不跳，都一定会被执行。这个必执行的指令位，就叫「延迟槽」。
方向盘已经打了，但脚已落地，那一步必须走完才能真正转过去
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上页讲了逻辑运算——位与位之间『逐位算计』。还有一类操作根本不看位与位的关系，而是把整组位整体往左或往右『挪位置』——这就是移位指令。
1234→123.4 是除以10；二进制 1100 左移两位变 110000 是乘 4
本节要点
- ✓MIPS是Load/Store架构：只有lw/sw访存，其他指令操作寄存器
- ✓$0恒零、$31存ra是硬件接线保证，不是软件约定
- ✓指令格式由操作码决定，分R/I/J三型，字段不能跨型复用
- ✓默认大端序；addi做符号扩展，andi/ori做零扩展
- ✓早期MIPS分支有延迟槽，下一条必执行，是易错边界
课后思考
先独立思考，再对照参考答案。三题分别对应回顾、应用、迁移。
参考答案固定长度让指令译码和取指极其规整，流水线可切成等长阶段，提频容易。代价是同样逻辑要更多指令，代码密度比x86低约30%。
参考答案延迟槽原本是用免费指令填充分支后的停顿周期。去掉后那个周期变成气泡，N次循环约多出N个周期开销。
参考答案矩阵运算是规则乘加数据流，更适合SIMD或脉动阵列这类数据并行架构。MIPS通用寄存器吞吐矩阵元素，端口会成为瓶颈。