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计算机系统6

来源：互联网收集：自由互联发布时间：2022-05-20

针对MIPS指令集本身的讲解，主要是它上层的汇编表示和下层的机器表示，以及它的访存方式、操作数等等。同时也对MIPS指令集日落西山表示感慨。上一篇计算机系统5- 计组与体系结构

计算机系统6-> 计组与体系结构3 | MIPS指令集（中）| MIPS汇编指令与机器表示

针对MIPS指令集本身的讲解，主要是它上层的汇编表示和下层的机器表示，以及它的访存方式、操作数等等。同时也对MIPS指令集日落西山表示感慨。

上一篇计算机系统5-> 计组与体系结构2 | MIPS指令集（上）| 指令系统从顶层讲解了一个指令集 / 指令系统应当具备哪些特征和工作原理。这一篇就聚焦MIPS指令集（MIPS32），看看其汇编语句和机器语言是什么样子的。

参考资料：

Computer Organization and Design the 5th Edition，即计算机组成与设计硬件软件接口第五版
龙芯杯MIPS指令系统规范手册
课件，由于是英文且只是老师的思路，所以是辅助参考
《计算机组成原理》谭志虎，HUST（此书强推）
《计算机组成原理》MOOC HUST

00 数据格式

本文约定MIPS32的数据格式定义如下：

比特（bit, b）
字节（Byte, 8bits, B）
半字（Halfword, 16bits, H）
字（Word, 32bits, W）

这个不搞搞清楚，后续还会麻烦，不如放在最前面。

01 操作数

自上一篇对于指令系统的整体介绍可以知道，指令集的操作数是指令的操作对象，它有三个来源：立即数、寄存器和存储器。这里来看一下MIPS32指令系统支持的操作数空间。

01-1 立即数操作数

在上一篇的介绍中，立即数是由地址码表示的，所以MIPS的立即数的长度由指令格式决定，再具体一点是指令格式中的地址码长度决定。

01-2 寄存器操作数

2022-04-16 整理此文期间，老师发了一个讲解寄存器的链接

打开之后，我觉得讲得还不错，对于各个寄存器的功能都有说明，就是排版不太好。

此文第32问之后，讲解了为什么是32个通用寄存器

MIPS-32指令集共有32个32位通用寄存器，按照编码原理，机器指令中可以用5个bit来编码32个寄存器；在汇编中可以用寄存器编号0~31表示，但更推荐用它们的名字（ $ +两个字符），因为不同的寄存器的默认工作不同，如果有名称来进行区分，对于汇编层次的程序设计者更友好一些。具体表示如：$sp , $t0等等。

为什么会给寄存器取名，从下面这个表格就可见一斑。后续下一篇介绍高级语言程序段的汇编翻译的时候，还会具体说明这些寄存器的功能分类。

为什么使用32个通用寄存器？

答：

使用64个或更多寄存器不但需要更大的指令空间来对寄存器编码，还会增加上下文切换的负担。除了那些很大不能感非常复杂的函数，32个寄存器就已足够保存经常使用的数据。使用更多的寄存器并不必要，同时计算机设计有个原则叫“越小越快”，但是也不是说使用31个寄存器会比32个性能更好，32个通用寄存器是流行的做法。

编号助记符英文全称功能简述 $0 $zero zero 恒零值，0号寄存器参与加法运算可实现MOV功能 $1 $at Assemble Temp 汇编器保留寄存器，可用于伪指令的中间变量 $2 ~ 3 $v0 ~ v1 value 存储子程序的非浮点返回值 $4 ~ 7 $a0 ~ a3 Argument 用于存储子程序调用前的4个非浮点参数 $8 ~ 15 $t0 ~ t8 Temporaries 临时变量，调用者保存寄存器，可在子程序中直接调用 $16 ~ 23 $s0 ~ s7 Saved Registers 通用寄存器，被调用者保存寄存器，在子程序中使用时必须先压栈保存原值，使用后应出栈恢复原值 $24 ~ 25 $t8 ~ t9 Temporaries 临时变量，同$8 ~ 15。 $26 ~ 27 $k0 ~ k1 Kernel Reserved 操作系统内核保留寄存器，用于中断处理 $28 $gp Global Pointer 全局指针 $29 $sp Stack Pointer 栈指针，指向栈顶 $30 $fp / $s8 Frame Pointer 帧指针，用于过程调用；也是$s8，可用作Saved Register $31 $ra Return Address 存储子程序返回地址

我们通常意义上说的32个寄存器，就是上述32个通用寄存器。事实上，MIPS还提供了32个32位的单精度浮点寄存器，用$f0 ~ f31表示，两两拼合还可以形成16个64位的双精度寄存器。此外，MIPS还有其他特殊寄存器：

整数乘除寄存器$hi，$lo
- hi 寄存器存放乘法指令结果的高半部分或是除法指令结果的余数。
- 用指令mfhi("move from hi")来访问hi。
- lo 寄存器存放乘法指令结果的低半部分或是除法指令结果的商。
- 用指令mflo("move from lo")访问lo。
程序控制器PC
- 无法直接访问。
⭐协处理器CP0的寄存器
- CP0是协处理器((Co-Processor)之一，其中有一组寄存器，一共32个；
- CP0 必须实现，起到控制CPU的作用，主要用于中断、例外控制。MMU、异常处理、乘除法等功能，都依赖于协处理器CP0来实现。它是MIPS的精髓之一，也是打开MIPS特权级模式的大门。
- 后续的特权指令中会有很多使用CP0寄存器的地方。
- 协处理器的32个寄存器介绍
- 协处理器如何控制CPU
- 这里提一个寄存器，EPC，这个寄存器存放异常发生时，系统正在执行的指令的地址。后面特权指令ERET会用到。

01-3 存储器操作数

有2³⁰个存储器字，根据00部分的数据格式，这里一个存储器字也就是32位bit，即4个byte，所以换算成我们更常见的形式有：

2³²bytes = 2²²KB = 2¹²MB=4GB，可见MIPS32的内存是4GB。

02 寻址方式

上一篇中我们介绍了指令系统的11 种访存方式，MIPS只采用了其中的五种，即：（也简单回忆一下）

立即数寻址

imm字段 / D字段就是立即数本身。
寄存器寻址

操作数放在某个寄存器中，形式地址D字段 / imm字段给出寄存器的编号，有的指令可能会使用多个寄存器，也就会用到多段寄存器编码段。
基址寻址

寄存器存放基地址，形式地址D字段存放变化量。
相对寻址

EA = PC + 4 + D。
伪直接寻址

这种比较新，实际操作是EA = { PC+4的高四位（31到28），imm（D字段），00 }

可见此处的EA达到了32位bit，也即30位存储字。

对于具体的指令格式，R型指令的寻址方式只有寄存器寻址；I型指令的寻址方式有寄存器寻址、立即数寻址、基址寻址、相对寻址；J型指令的只有伪直接寻址。

03 指令格式 03-1 统一介绍

了解一个指令集最重要的是指令格式，指令格式统帅了所有其他的方面。MIPS32种所有的指令都是32位定长指令，格式很规整（很漂亮）；对于实在难以用统一格式表述的指令，MIPS采取了折中的办法，即让指令的一部分看上去是一样的，其他的部分进行一些微调。

MIPS指令格式有三种：I型、R型、J型；具体格式如下：

213

下面是对上图各个部分的一个解释：

图中opcode字段就是操作码，一般简称为OP，不过R型指令有一点与众不同，R型指令的OP段全为0），具体的指令功能由低6位的 function(funct) 字段决定，这里的funct字段就是扩展操作码。
至于寻址方式，MIPS的寻址方式是没有单独的字段的，而是放在操作码字段里。
上面看到的rs、rt、rd就是寄存器操作数字段，各用五位表示（32个通用寄存器正好编码5个二进制位）；R型指令可以有三个寄存器操作数，而I型指令最多两个寄存器操作数，而J型不需要寄存器操作数。
上图其他元素还有shamt字段（五位的sa），用于移位指令，其他指令这一段为0；以及I型指令的imm字段，可以表示16位的有符号立即数，立即数范围为 [-32768, 32767]。J型指令的instr_index（Address字段）有26位。

03-2 R型 / 寄存器型

R型指令的操作数只能来自寄存器，运算结果也只能来自寄存器，属于上一篇中所提到RR型指令。下面先来说说MIPS的R型指令的机器语言格式：

因为具体指令打算放到指令功能里再整理，这里举一个典例，MIPS的加法在汇编中表示为：

add $s1,$t0,$s4
# 当然也可写成
add $17,$8,$20

意思是把 t0（8号）和s4（20号）寄存器的内容相加，把结果放到s1（17号）寄存器，机器格式为：

位数 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 06 05 ~ 00 格式 op rs rt rd shamt funct 举例 000000 8 20 17 0 32 03-3 I型 / 立即数型

I型指令就是立即数型指令，至多可以使用两个寄存器，按照执行的功能有以下情况：

如果是双目运算，则将寄存器rs和立即数imm分别作为源操作数，将结果送入rt寄存器中；
如果是Load / Store指令，则将寄存器rs和立即数imm值相加得到有效地址EA，将EA送入rt寄存器中；
如果是条件分支指令，则对rs和rt寄存器中的数据进行规定的判别运算，并根据结果决定是否进行跳转，如果发生跳转，那么跳转后的地址EA由相对寻址方式获得（PC+4与立即数imm相加得到）

举一个典例，MIPS中的beq指令，指令作用是相等则跳转：

beq $s1,$s2,25

意为判断$s1和$s2中操作数是否相等，如果相等去地址为PC+4+imm的地方继续运行。

位数 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 op rs rt imm 举例 000100 17 18 25

注意这里的意义是：

if($s1 == $32) go to
PC+4+100 #即 imm<<2

为什么是100不是25呢？

答：如果发生转移，要将imm左移2位，并符号扩展至32位，然后与PC+4相加，加法的结果就是转移目的地址，从该地址取指令。

03-4 J型 / 跳转型

J型指令主要是无条件转移指令，其特点是仅有操作码和地址码两个字段，采用伪直接寻址，有效地址EA 用PC+4的高4位与 26位的imm经左移2位后拼接得到：

J型指令常用的有两个：j 和 jal

注意：jr和jalr虽然也实现无条件跳转，但不是J型。

指令名 OP IMM 实现描述备注 j 000010 26位 PC <- {PC+4_31:28，imm，00} 无条件分支 jal 000011 26位 R[31] <- PC+8（如无延迟槽为PC+4）；PC <- {PC+4_31:28，imm，00} 子程序调用指令 04 指令功能

本部分参考：龙芯杯MIPS指令系统规范手册，开源，上传至博客文件。

04-1 算术运算指令

234

一共十四条，包括加、减、乘、除、置1五个小类。

ADD
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100000 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
  - ```
  ADD rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相加，结果写入寄存器 rd 中。如果产生溢出，则触发整型溢出例外（IntegerOverflow）。
- 操作定义：
- 例外：
  - 如果有溢出，则触发整型溢出例外。
ADDI
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 26~21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001000 rs rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
  - ```
  ADDI rt, rs, imm
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与有符号扩展至 32 位的立即数 imm 相加，结果写入 rt 寄存器中。如果产生溢出，则触发整型溢出例外（IntegerOverflow）。
- 操作定义：
- 例外：
  - 如果有溢出，则触发整型溢出例外。
ADDU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100001 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
ADDU rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相加，结果写入 rd 寄存器中。
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← GPR[rs] + GPR[rt]
```
- 例外：
  - 无
ADDIU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 26~21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001001 rs rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
ADDIU rt, rs, imm 
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与有符号数至 32 位的立即数 imm 相加，结果写入 rt 寄存器中。（没写错1!)
- 操作定义：
```
GPR[rt] ← GPR[rs] + sign_extend(imm)
```
- 例外：
  - 无
- ADDI，ADDIU，ADD，ADDU的区别、有符号无符号的谬误
SUB
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100010 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SUB rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - ：将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相减，结果写入 rd 寄存器中。如果产生溢出，则触发整型溢出例外（IntegerOverflow）。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
SUBU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100011 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SUBU rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 的值相减，结果写入 rd 寄存器中。
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← GPR[rs] – GPR[rt]
```
- 例外：
  - 无
SLT
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 101010 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SLT rd, rt, rs
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 中的值进行有符号数比较，如果寄存器 rs 中的值小，则寄存器 rd 置 1；否则寄存器 rd 置 0。
- 操作定义：
```
if GPR[rs] < GPR[rt] then
	GPR[rd] ← 1
else
	GPR[rd] ← 0
endif
```
- 例外：
  - 无
SLTI
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 26~21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001010 rs rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
SLTI rt, rs, imm
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与有符号扩展至 32 位的立即数 imm 进行有符号数比较，如果寄存器 rs 中的值小，则寄存器 rt 置 1；否则寄存器 rt 置 0。
- 操作定义：
```
if GPR[rs] < Sign_extend(imm) then
	GPR[rt] ← 1
else
	GPR[rt] ← 0
endif
```
- 例外：
  - 无
SLTU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 101011 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SLTU rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与寄存器 rt 中的值进行无符号数比较，如果寄存器 rs 中的值小，则寄存器 rd 置 1；否则寄存器 rd 置 0。
- 操作定义：
```
if (0||GPR[rs]31..0) < (0||GPR[rt]31..0) then
	GPR[rd] ← 1
else
	GPR[rd] ← 0
endif
```
- 例外：
  - 无
SLTIU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001011 rs rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
SLTIU rt, rs, imm
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值与有符号扩展 至 32 位的立即数 imm 进行无符号数比较，如果寄存器 rs 中的值小，则寄存器 rt 置 1；否则寄存器 rt 置 0。
- 操作定义：
```
if (0||GPR[rs]31..0) < Sign_extend(imm) then
	GPR[rt] ← 1
else
	GPR[rt] ← 0
endif
```
- 例外：
  - 无
DIV
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011010 位数 6 5 5 10 6
- 汇编格式：
```
DIV rs, rt
```
- 功能描述：
  - 有符号除法，寄存器 rs 的值除以寄存器 rt 的值，商写入 LO 寄存器中，余数写入 HI 寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
DIVU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011011 位数 6 5 5 10 6
- 汇编格式：
```
DIVU rs, rt
```
- 功能描述：
  - 无符号除法，寄存器 rs 的值除以寄存器 rt 的值，商写入 LO 寄存器中，余数写入 HI 寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
MULT
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011000 位数 6 5 5 10 6
- 汇编格式：
```
MULT rs, rt
```
- 功能描述：
  - 有符号乘法，寄存器 rs 的值乘以寄存器 rt 的值，乘积的低半部分和高半部分分别写入 LO 寄存器和 HI 寄存器。
- 操作定义：
  - prod ← GPR[rs]_31..0 ×GPR[rt]_31..0
  - LO ← prod_31..0
  - HI ← prod_63..32
- 例外：
  - 无
MULTU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt 00 0000 0000 011001 位数 6 5 5 10 6
- 汇编格式：
```
MULTU rs, rt
```
- 功能描述：
  - 无符号乘法，寄存器 rs 的值乘以寄存器 rt 的值，乘积的低半部分和高半部分分别写入 LO 寄存器和 HI 寄存器。
- 操作定义：
  - prod ← (0 || GPR[rs]_31..0) ×(0 || GPR[rt]_31..0)
  - LO ← prod_31..0
  - HI ← prod_63..32
- 例外：无

重点强调

可检测出溢出异常的指令：add, sub, addi
不会检测出溢出异常的指令：addu, subu, addiu
MIPS中的C编译器会使用 addu, addiu, subu，即不检查溢出异常

04-2 逻辑运算指令

123

AND
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100100 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
AND rd, rs, rt
```
- 功能描述：
- 寄存器 rs 中的值与寄存器 rt 中的值按位逻辑与，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← GPR[rs] & GPR[rt] 
```
- 例外：
  - 无
ANDI
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001100 rs rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
ANDI rt, rs, imm 
```
- 功能描述：
  - 寄存器 rs 中的值与 0 扩展至 32 位的立即数 imm 按位逻辑与，结果写入寄存器 rt 中。
- 操作定义：
```
GPR[rt] ← GPR[rs] and Zero_extend(imm)
```
- 例外：
  - 无
LUI
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001111 00000 rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
LUI rt, imm
```
- 功能描述：
  - 将 16 位立即数 imm 写入寄存器 rt 的高 16 位，寄存器 rt 的低 16 位置 0。
- 操作定义：
```
GPR[rt] ← (imm || 0000 0000 0000 0000)  
```
- 例外：
  - 无
NOR
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100111 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
NOR rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - 寄存器 rs 中的值与寄存器 rt 中的值按位逻辑或非，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← GPR[rs] nor GPR[rt] 
```
- 例外：
  - 无
OR
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100101 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
OR rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - 寄存器 rs 中的值与寄存器 rt 中的值按位逻辑或，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← GPR[rs] or GPR[rt] 
```
- 例外：
  - 无
ORI
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001101 rs rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
ORI rt, rs, imm
```
- 功能描述：
  - 寄存器 rs 中的值与 0 扩展至 32 位的立即数 imm 按位逻辑或，结果写入寄存器 rt 中。
- 操作定义：
```
GPR[rt] ← GPR[rs] or Zero_extend(imm)
```
- 例外：
  - 无
XOR
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 100110 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
XOR rd, rs, rt
```
- 功能描述：
  - 寄存器 rs 中的值与寄存器 rt 中的值按位逻辑异或，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← GPR[rs] xor GPR[rt]
```
- 例外：
  - 无
XORI
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 001110 rs rt imm 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：XORI rt, rs, imm
- 功能描述：寄存器 rs 中的值与 0 扩展至 32 位的立即数 imm 按位逻辑异或，结果写入寄存器 rt 中。
- 操作定义：GPR[rt] ← GPR[rs] xor Zero_extend(imm)
- 例外：无

04-3 移位指令

wer

SLLV
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 000100 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SLLV rd, rt, sa
```
- 功能描述：
  - 由寄存器 rs 中的值指定移位量，对寄存器 rt 的值进行逻辑左移，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
  - s ← GPR[rs]_4..0
  - GPR[rd] ← GPR[rt]_(31-s)..0 || 0^s
- 例外：
  - 无
SLL
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 000000 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SLL rd, rt, sa
```
- 功能描述：
  - 由立即数 sa 指定移位量，对寄存器 rt 的值进行逻辑左移，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
  - s ← sa
  - GPR[rd] ← GPR[rt]_(31-s)..0 || 0^s
- 例外：
  - 无
SRAV
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 000111 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SRAV rd, rt, rs
```
- 功能描述：
  - 由寄存器 rs 中的值指定移位量，对寄存器 rt 的值进行算术右移，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
  - s ← GPR[rs]_4..0
  - GPR[rd] ← (GPR[rt]₃₁) ^s || GPR[rt]_31..s
- 例外：
  - 无
SRA
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 000011 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SRA rd, rt, sa
```
- 功能描述：
  - 由立即数 sa 指定移位量，对寄存器 rt 的值进行算术右移，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
  - s ← sa
  - GPR[rd] ← (GPR[rt]₃₁) s || GPR[rt]31..s
- 例外：
  - 无
SRLV
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 000110 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SRLV rd, rt, rs
```
- 功能描述：
  - 由寄存器 rs 中的值指定移位量，对寄存器 rt 的值进行逻辑右移，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
  - s ←GPR[rs]_4..0
  - GPR[rd] ← 0^s || GPR[rt]_31..s
- 例外：
  - 无
SRL
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs rt rd 00000 000010 位数 6 5 5 5 5 6
- 汇编格式：
```
SRL rd, rt, sa
```
- 功能描述：
  - 由立即数 sa 指定移位量，对寄存器 rt 的值进行逻辑右移，结果写入寄存器 rd 中。
- 操作定义：
  - s ← sa
  - GPR[rd] ← 0_s || GPR[rt]_31..s
- 例外：无

04-4 分支跳转指令

rty

BEQ
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 000100 rs rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
BEQ rs, rt, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值等于寄存器 rt 的值则转移，否则顺序执行。转移的目标地址由立即数 offset 左移 2 位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
BNE
- 汇编格式：
```
BNE rs, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值不等于寄存器 rt 的值则转移，否则顺序执行。转移目标由立即数 offset 左移 2位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
BGEZ
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 000001 rs 000001 offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
BGEZ rs, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值大于等于 0 则转移，否则顺序执行。转移目标由立即数 offset 左移 2 位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
BGTZ
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 000111 rs 000000 offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
BGTZ rs, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值大于 0 则转移，否则顺序执行。转移目标由立即数 offset 左移 2 位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
BLEZ
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 000110 rs 000000 offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
BLEZ rs, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值小于等于 0 则转移，否则顺序执行。转移目标由立即数 offset 左移 2 位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
BLTZ
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 000001 rs 000000 offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
BLTZ rs, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值小于 0 则转移，否则顺序执行。转移目标由立即数 offset 左移 2 位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
BGEZAL
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 000001 rs 100001 offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
BGEZAL rs, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值大于等于 0 则转移，否则顺序执行。转移目标由立即数 offset 左移 2 位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。无论转移与否，将该分支对应延迟槽指令之后的指令的 PC 值保存至第 31 号通用寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
BLTZAL
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 000001 rs 100000 offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
BLTZAL rs, offset
```
- 功能描述：
  - 如果寄存器 rs 的值小于 0 则转移，否则顺序执行。转移目标由立即数 offset 左移 2 位并进行有符号扩展的值加上该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 计算得到。无论转移与否，将该分支对应延迟槽指令之后的指令的 PC 值保存至第 31 号通用寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
J
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 0 格式 000010 offset 位数 6 16
- 汇编格式：
```
J target
```
- 功能描述：
  - 无条件跳转。跳转目标由该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 的最高 4 位与立即数 instr_index 左移2 位后的值拼接得到。
- 操作定义：
  - I:
  - I+1: PC ← PC_31..28 || instr_index || 0²
- 例外：
  - 无
JAL
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 0 格式 000011 offset 位数 6 16
- 汇编格式：JAL target18
- 功能描述：无条件跳转。跳转目标由该分支指令对应的延迟槽指令的 PC 的最高 4 位与立即数 instr_index 左移2 位后的值拼接得到。同时将该分支对应延迟槽指令之后的指令的 PC 值保存至第 31 号通用寄存器中。
- 操作定义：
  - I: GPR[31] ← PC + 8
  - I+1: PC ← PC_31..28 || instr_index || 0²
- 例外：
  - 无
JR
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs 00 0000 0000 00000 001000 位数 6 5 10 5 6
- 汇编格式：
```
JR rs
```
- 功能描述：
  - 无条件跳转。跳转目标为寄存器 rs 中的值。
- 操作定义：
  - I: temp ← GPR[rs]
  - I+1: PC ← temp
- 例外：
  - 无
JALR
- 汇编格式：
  - JALR rd, rsJALR rs (rd=31 implied)
- 功能描述：
  - 无条件跳转。跳转目标为寄存器 rs 中的值。同时将该分支对应延迟槽指令之后的指令的 PC 值保存至寄存器 rd 中。
- 操作定义：
  - I： temp← GPR[rs]
    
    GPR[rd] ← PC + 8
  - I+1: PC ← temp
- 例外：
  - 无

04-5 数据移动指令

MFHI
- 指令格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 00 0000 0000 rd 00000 01 0000 位数 6 10 5 5 6
- 汇编格式：
  - ```
  MFHI rd
```
- 功能描述：
  - 将 HI 寄存器的值写入到寄存器 rd 中
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← HI
```
- 例外：
  - 无
MFLO
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 00 0000 0000 rd 00000 01 0010 位数 6 10 5 5 6
- 汇编格式：
```
MFLO rd
```
- 功能描述：
  - 将 LO 寄存器的值写入到寄存器 rd 中。
- 操作定义：
```
GPR[rd] ← LO
```
- 例外：
  - 无
MTHI
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs 000 0000 0000 0000 01 0001 位数 6 5 15 6
- 汇编格式：
```
MTHI rs
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值写入到 HI 寄存器中。
- 操作定义：
```
HI ← GPR[rs]
```
- 例外：
  - 无
MTLO
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 rs 000 0000 0000 0000 01 0011 位数 6 5 15 6
- 汇编格式：
```
MTLO rs
```
- 功能描述：
  - 将寄存器 rs 的值写入到 LO 寄存器中。
- 操作定义：
```
LO ← GPR[rs]
```
- 例外：
  - 无

04-6 自陷指令

hjk

BREAK
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 code 001101 位数 6 20 6
- 汇编格式：
```
BREAK
```
- 功能描述：
  - 触发断点例外。
- 操作定义：
```
SignalException(Breakpoint)
```
- 例外：
  - 断点例外
SYSCALL
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 6 5 ~ 0 格式 000000 code 001100 位数 6 20 6
- 汇编格式：
```
SYSCALL
```
- 功能描述：
  - 触发系统调用例外。
- 操作定义：
```
SignalException(SystemCall)
```
- 例外：
  - 系统调用例外。

04-7 访存指令

LB
- 机器指令：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 100000 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
LB rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 取一个有符号byte
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，据此虚地址从存储器中读取 1 个字节的值并进行符号扩展，写入到 rt 寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：无
LBU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 100100 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
LBU rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 取一个无符号byte
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，据此虚地址从存储器中读取 1 个字节的值并进行 0 扩展，写入到 rt 寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
LH
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 100001 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
LH rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 取半个有符号字（ half word）；
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，如果地址不是 2 的整数倍则触发地址错例外，否则据此虚地址从存储器中读取连续 2 个字节的值并进行符号扩展，写入到rt 寄存器中。
- 操作定义：

fdg

例外：
- 地址最低 1 位如果不为 0，触发地址错误例外

LHU
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 100001 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
LHU rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 取半个无符号字；
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，如果地址不是 2 的整数倍则触发地址错例外，否则据此虚地址从存储器中读取连续 2 个字节的值并进行 0 扩展，写入到 rt寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 地址最低 1 位不为 0，触发地址错例外
LW
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 100011 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
LW rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 取一个字；
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，如果地址不是 4 的整数倍则触发地址错例外，否则据此虚地址从存储器中读取连续 4 个字节的值，写入到 rt 寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 地址最低 2 位不为 0，触发地址错例外
SB
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 101000 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
SB rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 写入一个byte。
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，如果地址不是 4 的整数倍则触发地址错例外，否则据此虚地址从存储器中读取连续 4 个字节的值，写入到 rt 寄存器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 无
SH
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 101011 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
SH rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 写入半个字
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，如果地址不是 2 的整数倍则触发地址错例外，否则据此虚地址将 rt 寄存器的低半字存入存储器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 地址最低 1 位不为 0，触发地址错误例外
SW
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 0 格式 101011 base rt offset 位数 6 5 5 16
- 汇编格式：
```
SW rt, offset(base)
```
- 功能描述：
  - 将 base 寄存器的值加上符号扩展后的立即数 offset 得到访存的虚地址，如果地址不是 4 的整数倍则触发地址错例外，否则据此虚地址将 rt 寄存器存入存储器中。
- 操作定义：
- 例外：
  - 地址最低 2 位不为 0，触发地址错误例外

04-8 特权指令

特权指令在上一篇中仅简单提到了一次。特权指令指具有特殊权限的指令。这类指令只用于操作系统或其他系统软件，一般不直接提供给用户使用。在多用户、多任务的计算机系统中特权指令必不可少。

ERET
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 25 ~ 6 5 ~ 0 格式 010000 1 000 0000 0000 0000 0000 011000 位数 6 1 19 6
- 汇编格式：
```
eret
```
- 功能描述：从中断、例外处返回。
- 操作定义：PC ← EPC，Status.EXL ← 0，刷新流水线。
- 例外：无
MFC0
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 3 2 ~ 0 格式 010000 00000 rt rd 0000_0000 sel 位数 6 5 5 5 8 3
- 汇编格式：
```
MFC0 rt,rd,sel24
```
- 功能描述：
  - 从协处理器 0 的寄存器（由rd和sel组合指定）取值到通用寄存器rt中（用GPR表示），当然，有一些CP0寄存器不支持sel，这时sel=0
- 操作定义：
  - GPR[rt] ← CP0[rd, sel]
- 例外：
  - 无
MTC0
- 机器格式：
  地址 31 ~ 26 25 ~ 21 20 ~ 16 15 ~ 11 10 ~ 3 2 ~ 0 格式 010000 00100 rt rd 00000000 sel 位数 6 5 5 5 8 3
- 汇编格式：
```
MTC0 rt, rd, sel
```
- 功能描述：
  - 向协处理器 0 的寄存器存值
- 操作定义：
  - CP0[rd, sel] ← GPR[rt]
- 例外：
  - 无

05 其他指令集简介

指令集其实太多了，比如2020年就又出了Loongarch指令集，要每种都在一篇文中讲完太过分了。其实我最想说的是×86和RISC-V指令集。后续我还打算继续了解这两方面的内容（一个经典且广泛应用，另一个新兴且优美），csapp也是×86指令集。

0417看到一个新闻，说是wave computing(MIPS的ip拥有者)转向了RISC-V。网上感慨的人还很多。

05-1 ×86

×86由16位的8088 / 8086指令系统发展而来，是32位的CISC系统。

寄存器

共有8个通用寄存器和8个其他寄存器：

通用寄存器有：
寄存器编号 000 001 010 011 100 101 110 111 寄存器名字 EAX ECX EDX EBX ESI EDI ESP EBP
其他有：状态寄存器EEFLAGS、程序寄存器EIP、还有六个段寄存器CS、SS、DS、ES、FS、GS。
指令格式

×86需要向前兼容16位系统甚至再之前的8位系统，所以现在的×86极其复杂，硬件实现也很困难。从上一篇文也可以知道它是变长编码，通过类似于数据结构哈夫曼树的形式进行编码，实现前缀码不冲突。
寻址方式

支持8种寻址方式：
序号寻址方式 EA / 操作数S 指令示例 1 立即数寻址 S = Disp MOV EAX,1000 2 直接寻址 EA = Disp MOV EAX,[1080H] 3 寄存器寻址 S = R[R / M] MOV EAX,ECX 4 寄存器间接寻址 EA = R[R / M] MOV EAX,[EBX] 5 寄存器相对寻址 / 基址寻址 EA = R[R / M] + Disp MOV EAX,[ESI+100H] 6 基址 + 比例变址寻址 EA = S * index + Base MOV 7 基址 + 比例寻址 + 偏移量寻址 EA = S * index + Base + Disp MOV EAX,[EBX+EDI*4+66] 8 相对寻址 EA = PC + Disp JMP 1000H

05-2 RISC - V

清华计组RISC-V

寄存器

RISC-V的寄存器和MIPS大同小异，各种用途的寄存器各有所增减。
指令格式

首先遵循RISC的一些要求，同时可以扩展为变长。RISC-V的特色是指令硬件实现容易，最大的特色是指令字中的各字段位置固定（这一点MIPS都没有做到，可以说更整齐了）。

较于MIPS多了好几种格式。
寻址方式
# 寻址方式有效地址EA / S 指令示例 1 立即数寻址 S = imm addi = rd,rs1,imm 2 寄存器寻址 S = R[rs1] add rd,rs1,rs2 3 寄存器相对寻址 / 基址寻址 EA = R[rs1] + imm lw rd,imm(rs1) 4 相对寻址 EA = PC+imm<<1 beq rs1,rs2,imm

加粗是与地址直接相关的部分。

06 简单回顾 | Review

这部分主要针对MIPS指令集本身进行了学习，主要是它上层的汇编表示和下层的机器表示，以及它的访存方式、操作数等等。

可以用的操作数；
寻址方式各种；
以指令功能分类的各种指令，方便查阅；
简单提了提其他指令集

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