MIPS体系结构剖析，编程与实践［1］

http://blogold.chinaunix.net/u1/40363/showart_434186.html

第一章 MIPS CPU 体系结构概述

陈怀临

1。序言

本文介绍MIPS体系结构，着重于其寄存器约定，MMU及存储管理，异常和中断处理等等。

通过本文，希望能提供一个基本的轮廓概念给对MIPS CPU及之上OS有兴趣的读者。

并能开始阅读更详细的归约(SPECIFICATION)资料。

MIPS是最早的，最成功的RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理 器之一，起源于Stanford Univ的电机系. 其创始人 John L. Hennessy在1984年在硅谷创立
了MIPS INC. 公司(www.mips.com)。John L. Hennessy目前是Stanford Univ. 的校长。在此之前，他是 Stanford电子工程学院的Dean。CS专业的学生都知道两本著名的书：
“Computer Organization and Design : The Hardware/Software Interface” 和
”Computer Architecture : A Quantitative Approach“。其Co-author就是Hennessy.

MIPS的名字为“Microcomputer without interlocked pipeline stages"的缩写。另外一个通常的非正式的说法是”Millions of instructions per second".

MIPS 芯片在工业界目前用的比较多的是：MIPS INC。的R10000；QED(http://www.qedinc.com。1996年从MIPS INC。分(SPIN OFF)出来的)的R5000， R7000等。

指令集

详细的资料请参阅MIPS归约。

一般而言，MIPS指令系统有：MIPS I；MIPS II；MIPS III 和MIPS IV。可想而知，指令系统是向后兼容的。例如，基于MIPS II的代码可以在MIP III和MIPS IV的处理器上跑一跑：-)

下面是当我们用gcc时，如何指定指令和CPU的选项。

-mcpu=cpu type
Assume the defaults for the machine type cpu type when scheduling instructions. The choices for cpu type are `r2000', `r3000', `r4000', `r4400', `r4600',
and `r6000'. While picking a specific cpu type will schedule things appropriately for that particular chip, the compiler will not generate any code that does
not meet level 1 of the MIPS ISA (instruction set architecture) without the `-mips2' or `-mips3' switches being used.
-mips1
Issue instructions from level 1 of the MIPS ISA. This is the default. `r3000' is the default cpu type at this ISA level.
-mips2
Issue instructions from level 2 of the MIPS ISA (branch likely, square root instructions). `r6000' is the default cpu type at this ISA level.
-mips3
Issue instructions from level 3 of the MIPS ISA (64 bit instructions). `r4000' is the default cpu type at this ISA level. This option does not change the sizes of any of the C data types.

读者可能发现，对于大多数而言，我们应该是用MIPS III或-mips3。要提醒的是R5000和R10000也都是R4000的延伸产品。

下面是几点补充：

*MIPS指令是32位长，即使在64位的CPU上。这对于局部跳转指令的理解很有帮助。

比如：J (TARGET)；JAL (TARGET)。J和JAL的OPERCODE是6位，剩下的26为存放跳转偏移量。由于任何一个指令都是32位(或4字节)对齐(ALIGN)的，所以J 和JAL最大的伸缩空间是2^28=256M。如果你的程序要作超过256M的跳转，你就必须用JALR或JR，通过一个GPR寄存器来存放你的跳转地址。由于一个寄存器是32或64位的，你就没有任何限制了。

*MIPS CPU的SR(STATUS REGISTER)中有几位是很重要的设置，当我们选择指令系统或要用64位的MIPS的CPU CORE在32模式下(绝大多数情况，弟兄们 别告诉我你在写64位的程序：--) )。

SR[XX]：
1：MIPS IV INSTRUCTION SET USABLE
0：MIPS IV INSTRUCTION SET UNUSABLE

SR[KX]
SR[SX]
SR[UX]：
0：CPU工作在32位模式下
1：CPU工作在64位模式下

一般而言，如果你要从头写一个MIPS核心为32位程序，最好把上述值设为0。为什么最好呢？因为我在工作中没有去冒风险，设她们为1，who knows what would happen?:-) And then why bother:--)?

*在以后我们会单独的一章讲将流水线和指令系统，特别是跳转指令的关系。在这里，我们只简单提一下。对任何一个跳传指令后面，FOR SIMPLITY，要加上一个空转指令(NOP)。从而使得CPU的PIPELINE不会错误的执行一个预取(PRE_FETCH)得指令。当然这个NOP可以替换为别的。以后再讲。放一个NOP是最简单和安全的。有兴趣的读者可以用mips64-elf-objdump -d 来反汇编一个
OBJECT文件。你就会一目了然了。

*一定要记住：MIPS I，II， III和IV指令系统不包含PRIVILEDGED INSTRUCTIONS。

换句话说，都是那些在USER MODE下可以用的指令(当然KERNEL下也能用)。对于CPO的操作不属于指令系统。

*有一点在MIPS CPU下，要千万注意：ALIGN。MIPS对ALIGN的要求是严厉的。这一点与POWERPC是天壤之别。指令必须是32位对齐。数据类型必须在她们的的
大小边界对齐。简单的比如：When CPU running under 32bit mode, int must 32bit aligned; long 32bit aligned; pointer must be 32bit aligned; char must 8 bit aligned. long long must 64 bit aligned;关于这一点 ，我是吃过苦头的。当然我知道大家还会犯错在这里：--)，即使知道了。有些事情学是没用的：--)。一定要注意。

*我建议读者阅读SPECIFICATION时要花时间看一看指令系统的定义。其实不难。每一种指令不外乎几个域(FIELDS)。