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：
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 toPC+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+431:28，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+431:28，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
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：
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] thenGPR[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) thenGPR[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) thenGPR[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) thenGPR[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 ← prod31..0
- HI ← prod63..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 ← prod31..0
- HI ← prod63..32
例 外：无
04-2 逻辑运算指令
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
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 || 0s
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 || 0s
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] ← 0s || 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] ← 0s || GPR[rt]31..s
例 外：无
04-4 分支跳转指令
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 ← PC31..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 ← PC31..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
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：
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
以上是 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 的全部内容， 来源链接： utcz.com/z/520358.html
