MIPS架構

**MIPS**
推出年份	1981年，40年前
設計公司	MIPS科技公司→Imagination Technologies
是否開放架構？	否
體系結構類型	寄存器-寄存器，load-store
字長/暫存器資料寬度	32位元、64位元
位元組序	可配置大小端序
指令編碼長度	固定長度
指令集架構設計策略	精簡指令集（RISC）
擴展指令集	MSA、DSP、VZ、MDMX、MIPS-3D
分支預測結構	比較和分支
通用暫存器	31個+1個固定為0的暫存器R0
浮點寄存器	32個（有一對32位元暫存器組成的雙精度浮點數暫存器）

流水线式 MIPS，展示了五个阶段（指令取得、指令解码、执行、内存访问和写回）。

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages），是一種採取精簡指令集（RISC）的指令集架构（ISA），1981年出現，由 MIPS 公司開發並授權，廣泛被使用在許多電子產品、網路設備、個人娛樂裝置與商業裝置上。最早的MIPS架構是 32 位元，最新的版本已經變成 64 位元。商業市場主要競爭對手為ARM與RISC-V。

MIPS 架构有多个版本。其中包括 MIPS I、II、III、IV，以及 MIPS V，它们各自各自是 MIPS32/64（分别是 32 位、64 位的实现）发布的五个版本。早期的 MIPS 架构只有 32 位的版本，而其 64 位的版本随后才被开发。截至 2017 年 4 月，MIPS32/64 的当前版本是 MIPS32/64 Release 6^[1]^[2] 。MIPS32/64 与 MIPS I–V 的主要区别在于它除了用户态架构外，还定义了特权内核模式系统控制协处理器。

MIPS 架构有几个可选的拓展。比如 MIPS-3D，它是一个专用于常见 3D 计算任务的浮点 SIMD 指令集的简单集合^[3]；MDMX（MaDMaX）是一个应用更加广泛的整数 SIMD 指令集，它使用了 64 位浮点数寄存器；MIPS16e 则为提供了指令流压缩的功能，这可以减小程序的体积^[4]；MIPS MT 则提供了多线程的能力。^[5]

在一些大学和技术学校中计算机架构的课程上，学生们通常会学习 MIPS 架构。这个架构极大地影响了后来的精简指令集架构（如 DEC Alpha）。

發展歷史[编辑]

在1981年，斯坦福大学教授約翰·軒尼詩領導他的團隊，實作出第一個MIPS架構的處理器。他們原始的概令是透過指令管線化來增加CPU運算的速度。
1984年，約翰·軒尼詩教授離開斯坦福大学，創立MIPS科技公司。於1985年，設計出R2000晶片，1988年，將其改進為R3000晶片。
2018年6月—美國矽谷新創AI晶片公司Wave Computing宣佈完成收購MIPS公司股權，MIPS公司維持獨立運作，並預計開源MIPS架構。^[6]。

MIPS I[编辑]

特性[编辑]

延迟槽[编辑]

为了减少各种指令后流水线的阻塞，MIPS I引入了延迟槽机制，在分支与加载指令后都有一条指令的延迟槽。分支指令延迟槽中的内容会先于分支指令被提交。而加载指令的延迟槽中则不允许使用刚刚载入的数据。一般情况下延迟槽的安排会由汇编器完成，但在一些情况下程序员仍然需要关注他的存在。对于实在无法安排指令的延迟槽可以直接填入"NOP"。

操作数[编辑]

MIPS包括32个寄存器和2^30个存储器字，详见下表^[7]：

MIPS操作数
名字	举例	注释
32个寄存器	$s0 ~ $s7，$t0 ~ $t9，$zero，$a0 ~ $a3，$v0 ~ $v1，$gp，$fp，$sp，$ra，$at	寄存器用于数据的快速存取。在MIPS中，只能对存放在寄存器中的数执行算术操作，寄存器$zero恒为0，寄存器$at被汇编器保留，用于处理大的常数。
2^30个存储字	Memory[0]，Memory[4]，...，Memory[4294967292]	存储器只能通过数据传输指令访问。MIPS使用字节编址，所以连续的字地址相差4。存储器用于保存数据结构、数组和溢出的寄存器

指令格式[编辑]

在MIPS架构中，指令被分为三种类型：R型、I型和J型。三种类型的指令的最高6位均为6位的opcode码。从25位往下，

R型指令用连续三个5位二进制码来表示三个寄存器的地址，然后用一个5位二进制码来表示移位的位数（如果未使用移位操作，则全为0），最后为6位的function码（它与opcode码共同决定R型指令的具体操作方式）；
I型指令则用连续两个5位二进制码来表示两个寄存器的地址，然后是一个16位二进制码来表示的一个立即数二进制码；
J型指令用26位二进制码来表示跳转目标的指令地址（实际的指令地址应为32位，其中最低两位为00，）。^[8]^[9]

三种类型的指令图示如下：

类型	位
类型	31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
R	opcode (6)						rs (5)					rt (5)					rd (5)					shamt (5)					funct (6)
I	opcode (6)						rs (5)					rt (5)					immediate (16)
J	opcode (6)						address (26)

指令[编辑]

访存指令[编辑]

MIPS I 具有访存8-bit字节，16-bit半字，32-bit字的能力，并且只支持“基地址+偏移”一种寻址模式。由于MIPS I是一种32位架构，少于32-bit的加载指令在目标寄存器中都会对高位进行符号扩展或全零扩展到32-bit。带有 "无符号" 后缀的指令会被进行全零扩展，其他的指令会进行符号扩展。加载指令会从一个通用寄存器中获取基地址 (rs) 并将从操作地址读取的结果写入一个通用寄存器 (rt). 存储指令则会从一个通用寄存器获取基地址(rs)，将另一个通用寄存器(rt)中的内容写入相应操作地址。所有的访存指令都会将基地址加上指令中的有符号16-bit立即数immediate偏移以获得最终操作地址。 MIPS I要求所有的访存指令与操作单位对齐，也就是目标地址必须是所访问数据字节数的整数倍。为了支持高效的非对其访存，MIPS提供了带左/右后缀的访存指令。所有的加载指令后面带有一个延迟槽，延迟槽内的指令不得使用刚刚载入的指令。

指令功能	助记符	格式	格式
加载字节	LB	I	32₁₀	rs	rt	offset
加载半字	LH	I	33₁₀	rs	rt	offset
加载字左	LWL	I	34₁₀	rs	rt	offset
加载字	LW	I	35₁₀	rs	rt	offset
加载无符号字	LBU	I	36₁₀	rs	rt	offset
加载无符号半字	LHU	I	37₁₀	rs	rt	offset
加载字右	LWR	I	38₁₀	rs	rt	offset
存储字节	SB	I	40₁₀	rs	rt	offset
存储半字	SH	I	41₁₀	rs	rt	offset
存储字左	SWL	I	42₁₀	rs	rt	offset
存储字	SW	I	43₁₀	rs	rt	offset
存储字右	SWR	I	46₁₀	rs	rt	offset

参考文献[编辑]

^ MIPS32 Architecture. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2020-03-21）.
^ MIPS64 Architecture. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2020-02-02）.
^ MIPS-3D ASE. Imagination Technologies. [January 4, 2014]. （原始内容存档于2014-01-03）.
^ MIPS16e. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2021-01-16）.
^ MIPS Multithreading. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2020-10-26）.
^ 存档副本. [2020-07-29]. （原始内容存档于2020-07-29）.
^ David A, Patterson. 计算机组成与设计：硬件、软件接口（原书第4版）. 机械工业出版社.
^ MIPS R3000 Instruction Set Summary. [2013-08-21]. （原始内容存档于2018-06-28）.
^ MIPS Instruction Reference. [2013-08-21]. （原始内容存档于2010-12-05）.

外部連結[编辑]

[1] MIPS32 Architecture. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2020-03-21）.

[2] MIPS64 Architecture. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2020-02-02）.

[3] MIPS-3D ASE. Imagination Technologies. [January 4, 2014]. （原始内容存档于2014-01-03）.

[4] MIPS16e. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2021-01-16）.

[5] MIPS Multithreading. MIPS. [March 20, 2020]. （原始内容存档于2020-10-26）.

[6] 存档副本. [2020-07-29]. （原始内容存档于2020-07-29）.

[7] David A, Patterson. 计算机组成与设计：硬件、软件接口（原书第4版）. 机械工业出版社.

[uidaho-8] MIPS R3000 Instruction Set Summary. [2013-08-21]. （原始内容存档于2018-06-28）.

[9] MIPS Instruction Reference. [2013-08-21]. （原始内容存档于2010-12-05）.

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