MIPS Instruction formats

MIPS指令格式是MIPS架构中的基础组成部分，用于定义处理器如何理解和执行指令。MIPS指令集有三种主要的指令格式：R型、I型和J型。 R型（Register）格式，主要用于算术和逻辑运算，如加法（add）、减法（sub）等。R型格式包括6位的操作码（opcode），以及3个5位的寄存器编码：源寄存器（rs）、目的寄存器（rt）和寄存器操作（rd）。此外，还有5位的移位量（shift amount）和6位的功能码（function），功能码决定了具体的运算类型。 I型（Immediate）格式，适用于加载和存储数据，以及条件分支。例如，lw（load word）用于从内存加载一个字到寄存器，sw（store word）则将寄存器中的字存储到内存中。I型格式包括6位的opcode，两个5位的寄存器（rs和rt），以及16位的立即数或偏移量。对于条件分支指令，如bne（branch if not equal），它使用5位的寄存器编码（rs和rt），加上16位的相对地址偏移。这种称为PC相对寻址的方式，根据程序计数器（PC）加上偏移量来确定分支目标。 J型（Jump）格式，用于无条件跳转。它包含6位的opcode和26位的直接跳转地址。例如，j指令用于跳转到指定的26位地址，使得程序执行流改变。 在MIPS的地址模式中，访问操作数有多种方式： 1. 寄存器寻址：操作数直接位于寄存器中，如add $s1, $s2, $s3，表示$s1加上$s2和$s3的值。 2. 基址寻址：操作数在内存中，地址为一个寄存器值加上一个常量，如lw $s1, 32($s3)，意味着$s1加载$s3加上32后的内存位置的值。 3. 直接寻址：操作数的地址是一个固定的内存位置，如$s1加载内存位置32的值。 4. 间接寻址：操作数的地址是由寄存器给出的内存位置，如$s1加载$s3指向的内存值。 5. 立即寻址：操作数是一个常量，如addi $s1, $zero, 7，意味着$s1加上立即数7，使用I型格式的指令实现。 6. PC相对寻址：操作数的地址等于当前PC值加上一个偏移量，用于实现位置独立代码和短循环。 此外，MIPS中的堆栈操作也涉及到地址模式。堆栈通常占用主内存的一部分，MIPS中，堆栈从高地址向低地址增长，每次压入数据时，堆栈指针（$sp）的值会减小。堆栈在过程调用和返回中起到关键作用，因为它提供了一种保存和恢复现场的方式，确保正确地返回到调用程序的上下文。