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北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心

MIPS指令系统体系结构

MIPS Instruction Set Architecture

计算机组织与系统结构

（第五讲）

2003.10.9

程旭

北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心

本讲概况

上讲复习

MIPS指令系统体系结构

MIPS的其他情况

MIPS (PowerPC、VAX、80x86)

北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心

指令系统设计

指令系统

软件

硬件

北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心

执行周期

Instruction

Fetch

Instruction

Decode

Operand

Fetch

Execute

Result

Store

Instruction

从程序存储系统中获得指令

确定所需的动作和指令大小

定位并获得操作数数据

计算结果数值或状态

在存储系统中存放结果，以备后用

确定后续指令

北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心

• 使用通用寄存器的load-store 结构；

• 支持如下寻址方式：displacement (with an address offset size of 12 to

16 bits)、 immediate (size 8 to 16 bits), 以及 register deferred;

• 支持如下简单指令（因为它们决定执行的指令总数）：load、store、add、

subtract、move register-register、and、shift、compare equal、

compare not equal、 branch (with a PC-relative address at least 8-bits

long)、 jump、 call, 以及return;

• 支持如下数据大小和类型：8位、16位、32位整数；以及

32位和 64位 IEEE 754 浮点数

• 如果看重性能，就使用固定指令编码方案

如果看重代码大小，就使用可变指令编码方案

• 提供至少16个通用寄存器，以及单独的浮点寄存器;

• 确信所有的寻址方式都可以用于所有的数据传输指令;

• 瞄准最低限要求的指令系统

上讲总结: ISA

北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心

指令（Instructions）:

°机器语言的字词

°比高级语言更加简单、原始

例如，没有复杂的控制流

°限制性非常强

例如：MIPS算术运算指令

°更课程我们将基于MIPS指令系统体系结构

• 与二十世纪八十年代后的许多结构都很类似：NEC, Nintendo,

Silicon Graphics, Sony

设计目标

更高性能、更低成本、更少设计周期

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MIPS 算术指令

°所有算术指令都有 3 个操作数

°操作数的次序是固定的（目标操作数领先）

示例：

C代码： A = B + C

MIPS代码: add $s0, $s1, $s2

(编译器完成寄存器与变量的关联)

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MIPS arithmetic

°Design Principle: simplicity favors regularity. Why?

°Of course this complicates some things...

C code: A = B + C + D;

E = F - A;

MIPS code: add $t0, $s1, $s2

add $s0, $t0, $s3

sub $s4, $s5, $s0

°Operands must be registers, only 32 registers provided

°Design Principle: smaller is faster. Why?

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