【MIPS CPU 体系结构概述1】连载1:

1. MIPS概述
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及之上操作系统有兴趣的读 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,起源于斯 坦福的电机系. 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电子工程学院的院长。计算机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”。其作者之一就是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”。

2. 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的处理器上运行。

下面是当我们用gcc编译器时,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,例如,选择指令系统或 要把64位的MIPS的CPU CORE运行在32模式下。
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,需要把上述位值设为0。
*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,要加上一个空转指令(NOP)。从而使
得CPU的流水线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。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。就会一目了然了。

*一定要记住:MIPS I,II, III和IV指令系统不包含特权指令
换句话说,都是那些在用户态(USER MODE)下可以用的指令(当然KERNEL下也能
用)。对于CP0的操作不属于指令系统。

*有一点在MIPS CPU下,要特别注意:对齐(ALIGN)。MIPS对指令对齐的要求是严厉 的。这一点与POWERPC是天壤之别。指令必须是32位对齐。数据类型必须与她们的大小 边界对齐。

*建议读者阅读MIPS规约是要花时间看一看指令系统的定义

--电子创新网--
粤ICP备12070055号