3.5 MIPS體系結構
計算機組成
3 指令系統體系結構
3.5 MIPS體系結構
MIPS是精簡指令系統的代表，采用了與X86相反的設計理念，並引領了精簡指令系統的潮流，那就讓我們一起來看一看這究竟是怎麽一回事。
要探討MIPS指令系統，就得從它的設計者John Hennessy開始說起。Hennessy 1977年進入斯坦福大學，81年領導了RISC微處理器研究小組，他也被稱為RISC的先驅。RISC是精簡指令系統計算機的簡稱。與之相對，之前的計算機上的指令系統就被稱為復雜指令系統，X86就是其中的代表。後來，Hennessy 共同創立了MIPS計算機系統公司。90年代，他主要是在斯坦福計算機系擔任系主任等職務，2000年起開始擔任斯坦福大學的校長。由於他所設計的MIPS體系結構引領了精簡指令系統的潮流，後來還獲得了IEEE的榮譽獎章，而他所創立的MIPS公司也一度創造了輝煌。
在80年代末上市，後來被收購，然後再一次上市，再一次被收購。現在MIPS處理器已經不再應用在計算機產品中了，但是在廣義的計算設備包括數字電視，遊戲機，網絡設備等領域仍然有廣泛的應用，其實MIPS公司商業上的興衰也是諸多 RISC微處理器公司的命運寫照。
第一代的MIPS是32位的， 在1985年推出了對應的處理器，R2000；
90年，R3000處理器對應著第二代的MIPS；
92年，MIPS擴展到了64位；94年，64位的MIPS又進一步升級；
96年的MIPS5並沒有對應的處理器；
然後在99年，MIPS指令系統進行了較大的調整，形成了MIPS32；
到了99年，以MIPS5為基礎，推出了MIPS64指令系統。
MIPS的設計指導思想非常的簡單，從它的名字就可以看出來。MIPS全稱的含義是一個流水線不會互鎖的微處理器。流水線是現代微處理器為提高性能而采用的一項技術，而流水線中的互鎖則是導致流水線性能降低的一個非常重要的因素。從這個名稱也可以看出，MIPS的指導思想是希望其指令的設計能讓微處理器運行的更快，性能更好。所以它主要的關註點是減少指令的類型，並且降低指令的復雜度，所以在MIPS指令系統當中，指令的總數是很少的。而且每條指令都比較簡單。它的主要目的就是希望可以用一個非常簡單的CPU來支持這樣的指令系統。而CPU越簡單就可以運行的更快。假設要編寫程序完成同樣的任務，用MIPS指令編寫，其指令數量是X-86指令的5倍，但是如果MIPS的CPU能夠做到比X86 CPU快10倍，那它仍然獲得了明顯的性能優勢。這就是MIPS，同時也是RISC的設計思想。
那MIPS的指令是怎麽體現它這樣的設計思想的呢？
第一，MIPS固定了指令的長度，都是32個比特，也就說MIPS中的一個WORD。我們要註意這和X86中一個WORD是16位是不同的。固定的指令長度，大大簡化了CPU從存儲器中取指令的工作。不用像X86 CPU那樣需要判斷每條指令的長度。
第二，MIPS采用了非常簡單的尋址模式。相比於X86提供的復雜多樣的尋址模式， 雖然給編程帶來了不便，但是大大簡化了CPU訪問存儲器的控制邏輯。
第三，MIPS指令的數量比較少，每條指令的工作也很簡單。基本上一條指令只完成一個操作，不像X86的指令，一條指令往往完成豐富的功能，這樣可以簡化指令的執行過程。不但簡化了CPU的控制邏輯，而且可以方便的實現各種讓指令並行執行的技術，從而提高CPU的性能。
第四，在MIPS指令系統中只允許LOAD和STORE這兩種指令訪問存儲器，而不支持X86指令中這些讓算術指令訪問存儲器的操作，因為訪存是一個相對復雜的工作。
這種限制就可以讓運算指令的實現變得非常的簡單。但是我們要註意，MIPS的這些特點讓直接使用MIPS指令進行編程變得非常的困難，因此，想要有高效率的MIPS程序，必須要有優秀的編譯器的支持。我們來看幾個MIPS指令的例子。
例如加法指令，它的格式是ADD a, b, c
我們註意，與X86指令不同，MIPS的加法指令是三個操作數 a, b, c ，這三個操作數可以是三個寄存器。除了加法運算，這裏還列出了減法，乘法，除法等等。還有邏輯運算，還有左移和右移這樣的移位運算。這裏我們可以看出MIPS的運算指令格式都非常簡潔和統一，而且這些指令的操作數都不可以是存儲器操作數。要訪問存儲器，就必須使用專門的訪存指令。
我們來看一個例子，假設A是一個100個字的數組，它的首地址存放在19號寄存器中，MIPS的寄存器編號用$符進行標記。
那如果我們想完成 A[10] = h + A[3] 這樣的運算，也就說將一個變量h加上數組A中的第三個元素，並賦給數組A的第十個元素。我們註意，變量h放在18號寄存器中，而我們可以使用8號寄存器用來存放臨時數據。那麽對應的MIPS指令需要如下幾條：
首先要用LOAD指令，將19號寄存器對應的地址加上偏移量12，因為MIPS當中一個字是32位，所以第三個元素與首地址之間的偏移是12。將19號寄存器對應的地址加上偏移量12計算得到的存儲器地址中的這個字裝入到8號寄存器中，這就相當於將數組A中的第三個元素賦給了一個臨時變量。
第二句是一個加法指令，將8號寄存器與18號寄存器相加， 並將結果存放在8號寄存器。這就相當於將數組A的第三個元素與變量h相加，還存在這個臨時變量中。
第三條指令是將8號寄存器中的數，也就是運算的結果存到以19號寄存器為首地址，偏移量為40的內存單元，這就是數組A的第十個元素的位置。
那我們用這三條MIPS指令就完成了這個功能。
而這張表列出了MIPS的所有的通用寄存器，總共有32個，每個都是32位。相比於X86的寄存器，MIPS的通用寄存器是非常規整的。這32個寄存器的編號從0一直到31，那我們可以用$符加上編號進行指示。同時每個寄存器還有一個符號的名稱，並且約定了一些特定的用途，例如8號到15號寄存器，又被稱為t0到t7的寄存器，用來保存臨時的變量。而1號寄存器，它的名稱是 at，專門留給匯編器使用。
在編寫匯編程序時，我們可以用數字，也可以用名稱，來表示這些寄存器。例如 lw 這兩條指令所表達的含義以及對應的二進制編碼都是一樣的。add 這兩條指令也是如此。如果我們直接用MIPS指令進行匯編語言的編程，從t0到t7，s0到s7，這些寄存器都是我們經常使用的。MIPS 的體系結構簡明扼要，需要說明的就是這些。
我們已經了解了MIPS的設計理念，那這樣的理念究竟是如何實現的呢？在下一節我們將一起來探究MIPS的指令。
3.5 MIPS體系結構