MIPS32指令集与编程

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指令集汇编编程寄存器约定流水线

MIPS32指令集与编程

从指令编码到流水线机制再到函数调用约定，建立可推导的MIPS汇编思维框架

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指令集汇编编程寄存器约定流水线

MIPS32指令集与编程

从指令编码到流水线机制再到函数调用约定，建立可推导的MIPS汇编思维框架

1第 1 页 · MIPS32指令集与编程

MIPS32指令集与编程-1

学汇编的人绕不开MIPS32——教科书讲它、面试问它、考研考它。但你有没有想过：为什么偏偏是它？答案藏在一个缩写里：RISC——精简指令集计算机。

RISC理念
只保留最常用的简单指令，复杂操作交给编译器组合
固定长度指令
所有指令都是32位长，译码简单、流水线友好
Load/Store结构
只有load和store能访问内存，其他指令只操作寄存器
32个通用寄存器
$0~$31，其中$0恒为0（可直接当常量用）
典型应用领域
教材经典、Cisco路由器、PS2/PSP游戏机、嵌入式
厨房的基础调料对应 →MIPS32指令集

调料种类少但每种功能标准明确，组合起来能做出任何菜；MIPS指令简单但能组合出任意程序

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MIPS32指令集与编程-2

上一页我们认识了32个寄存器——它们像32个抽屉，每条指令都得说清「对哪个抽屉做什么」。但指令本身是怎么用32个比特把这事讲明白的？

R型指令
寄存器间ALU运算，6字段：op+rs+rt+rd+shamt+funct
I型指令
立即数运算与访存，4字段：op+rs+rt+imm(16位)
J型指令
跳转专用，2字段：op+addr(26位)，目标地址由PC高4位拼成
统一32位长度
三种格式字段数不同但总长都是32位，硬件可一次取指并行解码
三栏宽窄不一的表格对应 →MIPS三种指令格式

op=表头标题决定表种类；rs/rt/rd/imm各占若干格；总行宽固定32格

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MIPS32指令集与编程-3

MIPS32指令集与编程-3：定义、要点与典型应用

MIPS32指令集与编程-3
MIPS32指令集与编程-3：定义、要点与典型应用
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MIPS32指令集与编程-4

前页我们用 I 型格式描述分支：操作码 + 两寄存器 + 16 位立即数。但分支目标地址怎么算？早期 MIPS 程序里那条「总是会执行」的指令是什么？这一页讲清楚。

条件分支指令
beq/bne 比较两寄存器相等/不等；blez/bgtz/bltz/bgez 与 $zero 比较
PC 相对寻址
目标地址由 PC 算出来，位置无关，无需链接器重定位
延迟槽
分支指令的下一条无论是否跳转都会被执行——早期流水线的副产物
编译器处理
GCC 用 NOP 或调度有用指令填充延迟槽；MIPS R6 已彻底删除延迟槽
厨师喊「换菜」对应 →延迟槽机制

助手必须切完手头洋葱才能切下一道——分支跳走前，紧跟的指令总是先跑完

target=(PC+4)+(sign_extend(offset)≪2)\text{target} = (PC + 4) + (\text{sign\_extend}(\text{offset}) \ll 2)
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MIPS32指令集与编程-5

前面我们用 lw/sw 把数据搬进搬出寄存器，但程序不能只会搬数据——它得会判断、会循环、会调子程序，这全靠「控制转移」指令：让 PC 不再机械地顺序加 4。

条件分支 beq/bne
beq/bne 比较两寄存器相等或不等；blez/bgtz 把寄存器与 0 比大小
slt 比较族
slt 族把「小于」编为 0/1；配合 beq/bne 可拼出全部 6 种比较
无条件跳转 j/jal
j 用 26 位直接地址跳；jal 把 PC+8 存 $ra；jr 让寄存器当跳转目标
分支延迟槽
分支/跳转指令的「下一条」无论跳不跳都会先执行；编译器用 nop 或可挪动的指令填充这条槽位
铁轨岔道调度对应 →分支与延迟槽

调度员变道前必先安排好下一节车厢走哪——这条「无论变不变道都得先驶过去」的车厢就是延迟槽

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MIPS32指令集与编程-6

MIPS32指令集与编程-6：定义、要点与典型应用

MIPS32指令集与编程-6
MIPS32指令集与编程-6：定义、要点与典型应用
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MIPS32指令集与编程-7

前面写过 `beq $t0, $zero, loop`——你以为 CPU 会立刻跳到 loop？错了。分支指令后面那条，它照样会执行一次。这一格就叫「分支延迟槽」。

延迟槽定义
分支指令之后、跳转目标之前那条「无论跳不跳都会执行」的指令位置
物理根源
取指阶段已预取下一条，扔掉浪费，索性让它跑一次
编译器调度
把分支前一条不依赖结果的有用指令挪进延迟槽，掩盖开销
nop 填充
找不到可挪指令时，编译器插入空操作占位
编程陷阱
手写汇编按直觉顺序写，常漏掉这一拍，程序就跑偏
火车进站刹车后还会滑行对应 →分支延迟槽

跳转决定已发出，但下一节车厢已挂上，必须跑完这一段才真正分岔

8第 8 页 · MIPS32指令集与编程-7

本节要点

  • ✓三种指令格式的字段划分决定寻址模式与操作数来源
  • ✓Load/Store是唯一访存通路,R型指令不触碰内存
  • ✓$sp/$ra/$a0-$a3等寄存器约定是调用契约
  • ✓延迟槽是流水线遗留,编译器需用nop或重排填充
  • ✓伪指令是汇编器语法糖,需还原为真实机器码
延伸主题：MIPS异常与中断处理流水线冒险与互锁机制MIPS到RISC-V演化路径
9第 9 页 · 本节要点

课后思考

先遮住参考答案写下自己的思路，再对照 a1/a2/a3 看方向对不对。

1为什么MIPS要把访存指令（lw/sw）和寄存器运算分开，而不是像x86那样统一？

参考答案这是Load/Store架构的体现：ALU只对寄存器操作，只有lw/sw能访存。好处是长度规整、流水线更容易并行。

2要装入一个任意32位常数，lui+ori组合会有什么边界陷阱？

参考答案ori把立即数做无符号扩展，装载高位全1的负数时，ori会先清零高位再相加，结果错误。常见做法是改用addi。

3MIPS的分支延迟槽在现代超标量处理器里还存在吗？移植老代码会遇到什么坑？

参考答案现代CPU用分支预测取代延迟槽。移植老代码时，原本假设'延迟槽必执行'的优化会失效，关键指令可能被跳过。

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