討論MIPS 體系和CISC體系結(jié)構(gòu)的不同之處

MIPS（Million Instructions Per Second）：單字長定點(diǎn)指令平均執(zhí)行速度 Million Instructions Per Second的縮寫，每秒處理的百萬級的機(jī)器語言指令數(shù)。這是衡量CPU速度的一個(gè)指標(biāo)。像是一個(gè)Intel 80386 電腦可以每秒處理3百萬到5百萬機(jī)器語言指令，即我們可以說80386是3到5MIPS的CPU。MIPS只是衡量CPU性能的指標(biāo)。MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。它最早是在80年代初期由斯坦福（Stanford）大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來的。MIPS公司的R系列就是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計(jì)算機(jī)公司采用構(gòu)成各種工作站和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

一、MIPS指令集的限制

（1）所有指令長度都是32位：這意味著沒有指令能夠僅占用兩三個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間（因而MIPS的二進(jìn)制文件比典型的680x0或80x86大百分之二十到三十），也沒有指令可以超過四個(gè)字節(jié)。

隨之而來就是不可能把一個(gè)32位常數(shù)放進(jìn)單個(gè)指令中。MIPS設(shè)計(jì)者決定留出26位常數(shù)的空間用以編碼跳轉(zhuǎn)和調(diào)用指令的目標(biāo)地址：但是僅有給兩條指令。其它指令只能有16位空間留給常數(shù)。

（2） 指令操作必須適合流水線：只能在相應(yīng)的流水線階段才能執(zhí)行任務(wù)，并且必須在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。例如：寄存器寫回階段只能有一個(gè)值存入寄存器堆，所以指令只能修改一個(gè)寄存器。

（3）三操作數(shù)的指令：算數(shù)/邏輯指令不需要指定內(nèi)存地址，所以空出了充足的指令位可以定義兩個(gè)獨(dú)立的源操作數(shù)和一個(gè)目的操作數(shù)。編譯器喜歡三操作數(shù)指令，其給了優(yōu)化程序更大的空間來處理復(fù)雜的表達(dá)式的代碼。

（4）32個(gè)寄存器：寄存器數(shù)量的選擇主要是由軟件需求驅(qū)動(dòng)的，在現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)中一組32個(gè)通用寄存器是最為流行的。采用16個(gè)肯定不夠現(xiàn)代編譯器的需要，但是32個(gè)足夠讓C編譯器把常用的數(shù)據(jù)保存在寄存器中。

（5）寄存器零：$0寄存器永遠(yuǎn)返回零，給這個(gè)常用的數(shù)提供一個(gè)簡縮的編碼。

（6）沒有條件碼：MIPS的指令集的一個(gè)特征就是沒有條件標(biāo)志，這即使在1985年的RISC中也是極為激進(jìn)的。許多體系結(jié)構(gòu)有多個(gè)標(biāo)志位來表示運(yùn)算結(jié)果的“進(jìn)位”、“為零”等等。CISC的典型做法是根據(jù)一些指令的操作結(jié)果設(shè)置這些標(biāo)志，有些RISC體系結(jié)構(gòu)保留了標(biāo)志位。CISC是復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的簡稱，微處理器是臺式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本處理部件，每個(gè)微處理器的核心是運(yùn)行指令的電路。指令由完成任務(wù)的多個(gè)步驟所組成，把數(shù)值傳送進(jìn)寄存器或進(jìn)行相加運(yùn)算。復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（Complex Instruction System Computer，CISC）早期的計(jì)算機(jī)部件比較昂貴，主頻低，運(yùn)算速度慢。為了提高運(yùn)算速度，人們不得不將越來越多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中，以提高計(jì)算機(jī)的處理效率，這就逐步形成復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)體系。為了在有限的指令長度內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的指令，人們又設(shè)計(jì)了操作碼擴(kuò)展。然后，為了達(dá)到操作碼擴(kuò)展的先決條件——減少地址碼，設(shè)計(jì)師又發(fā)現(xiàn)了各種尋址方式，如基址尋址、相對尋址等，以最大限度地壓縮地址長度，為操作碼留出空間。

MIPS體系結(jié)構(gòu)決定把所有信息保存到寄存器堆中。比較指令設(shè)置通用寄存器，條件分支指令檢測通用寄存器。那樣確實(shí)有利于流水線實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟軌驕p少對算術(shù)/邏輯操作依賴的巧妙機(jī)制不論從哪一種也都同時(shí)會減少比較/分支指令對中的依賴。

我們后邊會看到有效的條件分支意味著是否分支的決定必須在半個(gè)流水線周期內(nèi)作出：該體系結(jié)構(gòu)通過保持分支決策的測試條件簡單有助于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。所以MIPS的條件分支只測試單個(gè)寄存器的符號/為零或者一對寄存器是否相等。

二、尋址和訪存

（1）訪問內(nèi)存只能通過簡單的寄存器加載和存儲：對內(nèi)存變量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算會打亂流水線。，所以不這么做。每次內(nèi)存訪問都要一條顯式的加載或存儲指令……

（2）只有一種數(shù)據(jù)尋址方式：幾乎所有的加載和存儲都通過單個(gè)寄存器基址加上一個(gè)16位的常數(shù)偏移量尋址內(nèi)存。

（3）字節(jié)地址指令：一旦數(shù)據(jù)存入MIPS CPU的寄存器，所有的操作都是在整個(gè)寄存器上操作。但是象C這樣的語句語義不適合不能尋址內(nèi)存到字節(jié)粒度的機(jī)器。因而MIPS對8-和16-位變量提供了一套完整的裝入/存儲操作。

（4）load/store必須對齊：內(nèi)存操作只能從對齊到相應(yīng)數(shù)據(jù)類型邊界的地址加載荷存儲數(shù)據(jù)。字節(jié)可以在任意地址傳輸，但是半字必須在偶數(shù)地址對齊，字在四字節(jié)邊界對齊。

（5）跳轉(zhuǎn)指令：有限的32為指令長度在想要支持很大程序的體系結(jié)構(gòu)上對分支是個(gè)問題。MIPS指令的最小操作碼域?yàn)?位，留出了26位來定義跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)。因?yàn)樗兄噶钤趦?nèi)存中都是四字節(jié)邊界對齊的，低兩位地址無需保存，這樣可有256MB的地址范圍。這個(gè)地址不是相對PC的，而是解釋成256MB段內(nèi)的絕對地址。這對大于256MB的單個(gè)程序極為不便，到目前按還沒有碰到太大的問題。

超出段內(nèi)的分支可以通過使用一個(gè)寄存器跳轉(zhuǎn)指令做到，該指令可以跳轉(zhuǎn)任意32位地址。

條件分支只有16位的偏移域——給出了262144字節(jié)的范圍，因?yàn)橹噶疃际撬淖止?jié)對齊的——解釋成相對PC的帶符號的偏移量。如果知道分支目標(biāo)會在緊跟分支之后的指令的128KB范圍內(nèi)，編譯器就能只生成一個(gè)簡單的條件分支指令。

三、MIPS沒有的特性

（1）沒有字節(jié)或半字?jǐn)?shù)據(jù)的運(yùn)算：所有算術(shù)和邏輯操作都是在32位的數(shù)據(jù)上進(jìn)行。字節(jié)或半字的運(yùn)算需要大量額外的資源和許多額外的操作碼，而且很少有用。

然而當(dāng)程序明確做short或者char運(yùn)算時(shí)，MIPS編譯器必須插入額外的代碼以保證結(jié)果回繞和溢出，生成跟8-或16-位機(jī)器上一樣的結(jié)果。

（2）沒有對堆棧的特殊支持：傳統(tǒng)的MIPS匯編確實(shí)定義了一個(gè)寄存器作為堆棧指針，但是硬件上SP沒有任何特殊之處。有一種推薦的關(guān)于子程序調(diào)用的棧幀布局，這樣可以混合不同語言和編譯器的模塊；你應(yīng)當(dāng)遵守這些約定，但是這些與硬件無關(guān)。

（3）最少的子程序支持：有一點(diǎn)比較特別：跳轉(zhuǎn)指令有一個(gè)跳轉(zhuǎn)并鏈接的選項(xiàng)，把返回地址存入一個(gè)寄存器，默認(rèn)是#31.所以方便起見習(xí)慣上用#31作為返回地址寄存器。

這樣做比起把返回地址保存到堆棧上要簡單，但卻帶來明顯的好處。隨便舉兩個(gè)好處瞧瞧：第一，保持了分支和訪存指令的完全分離；第二，當(dāng)調(diào)用許多根本不需要在堆棧保存返回地址的小程序時(shí)，這樣做又助于提高效率。

（4）最少的中斷處理：很難看到硬件能做得比這更少的了。它把重新開始的地址存放到一個(gè)特殊的寄存器，接著僅修改剛剛夠找出怎么回事的少量機(jī)器狀態(tài)并禁止進(jìn)一步中斷，然后跳轉(zhuǎn)到低端內(nèi)存事先定義好的一個(gè)單一入口地址，伺候一切由軟件負(fù)責(zé)。

（5）最少的異常處理：中斷只是異常的一種類型。一個(gè)異常可以來自一個(gè)中斷，來自對物理上不存在的虛擬內(nèi)存的試圖訪問、或者其它很多情況。一條有意引入的、類似系統(tǒng)調(diào)用的、用來進(jìn)入受保護(hù)的OS內(nèi)核的自陷指令發(fā)生時(shí)，也會進(jìn)入一個(gè)異常。所有異常都導(dǎo)致控制傳遞到同樣的固定入口地址。

按照約定，保留了兩個(gè)通用寄存器給用于異常，這樣異常處理程序可以自舉。對于運(yùn)行在允許中斷和自陷的任何系統(tǒng)上的程序來說，這兩個(gè)寄存器的值隨時(shí)可能變化，所以最好不要用。

四、程序員可見的流水線效果

到目前為止，以上就是你需要從一個(gè)簡化的CPU了解的全部內(nèi)容。中央處理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一臺計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。電腦中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對指令譯碼并執(zhí)行指令的核心部件。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計(jì)算機(jī)的可編程性主要是指對CPU的編程。 CPU由運(yùn)算器、控制器和寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。差不多所有的CPU的運(yùn)作原理可分為四個(gè)階段：提?。‵etch）、解碼（Decode）、執(zhí)行（Execute）和寫回（Writeback）。然而使得指令集適應(yīng)流水線也會導(dǎo)致一些奇怪的效果。

圖1.3：流水線和分支延遲

（1）延遲分支：MIPS CPU的流水線結(jié)構(gòu)意味著當(dāng)一個(gè)跳轉(zhuǎn)/分支指令到達(dá)執(zhí)行階段產(chǎn)生新的程序計(jì)數(shù)器值時(shí)，跟在跳轉(zhuǎn)指令后的指令已經(jīng)開始了，該體系結(jié)構(gòu)并不是丟棄這部分有潛在用途的工作，而是要求緊跟分支后的指令總是在分支目標(biāo)指令之前執(zhí)行。MIPS處理器是八十年代中期RISC CPU設(shè)計(jì)的一大熱點(diǎn)。MIPS是賣的最好的RISC CPU，可以從任何地方，如Sony， Nintendo的游戲機(jī)，Cisco的路由器和SGI超級計(jì)算機(jī)，看見MIPS產(chǎn)品在銷售。目前隨著RISC體系結(jié)構(gòu)遭到x86芯片的競爭，MIPS有可能是起初RISC CPU設(shè)計(jì)中唯一的一個(gè)在本世紀(jì)盈利的。和英特爾相比，MIPS的授權(quán)費(fèi)用比較低，也就為除英特爾外的大多數(shù)芯片廠商所采用。

要是硬件沒有特殊處理，是否分支的決定以及分支的目標(biāo)地址，就會在ALU流水階段結(jié)束時(shí)得到——到此時(shí)，如圖1.3所示，已經(jīng)太晚了，甚至在下下一個(gè)流水線槽都來不及提供一個(gè)指令地址。

但是分支指令的重要性足以給予特殊處理。從圖1.3所示，提供了一條經(jīng)ALU的特殊路徑可以讓分支目標(biāo)地址提早半個(gè)周期到達(dá)。連同取指階段多出來的半個(gè)時(shí)鐘周期的偏移，就剛好來得及去除分支目標(biāo)指令作為下下一個(gè)指令。

編譯器系統(tǒng)或者匯編程序應(yīng)該考慮甚至利用分支延遲；結(jié)果是通常有可能通過適當(dāng)安排使得延遲槽中的指令做些有用的工作。經(jīng)?？梢园褎e處的指令一道延遲槽中。

對于條件分支問題會有點(diǎn)復(fù)雜，分支延遲指令應(yīng)當(dāng)對兩條分支路徑都無害。實(shí)在找不到有用的事情可做時(shí)，延遲槽中填入一條nop指令。除非明確要求，否則許多MIPS匯編器都對程序員隱藏這個(gè)古怪的特性。

圖1.4：流水線和加載延遲

（2）數(shù)據(jù)加載延遲：流水線的另一個(gè)后果就是一條加載指令的數(shù)據(jù)在下一條指令的ALU階段的開始才從高速緩存/內(nèi)存系統(tǒng)到達(dá)——所以在下一條指令中不能使用加載的數(shù)據(jù)。

緊接加載指令后的指令位置稱為加載延遲槽，一個(gè)優(yōu)化的編譯器將試圖用它做些有用的事情。匯編器對程序員隱藏這一點(diǎn)，但可能插入一條nop指令。

在現(xiàn)代的MIPS CPU上，加載結(jié)果是互鎖的：如果你試圖過早使用結(jié)果，CPU將停下來等待數(shù)據(jù)到達(dá)。但是早期的MIPS CPU沒有互鎖，在延遲槽中試圖使用數(shù)據(jù)將導(dǎo)致無法預(yù)料的結(jié)果。