MIPS 體系和CISC體系結(jié)構(gòu)有什么不同

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字節(jié)。
隨之而來就是不可能把一個32位常數(shù)放進(jìn)單個指令中。MIPS設(shè)計者決定留出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)。這樣裝入任意32位數(shù)值需要一個兩條指令的序列，條件分支被限制到64K指令范圍。
(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)，并且必須在一個時鐘周期內(nèi)完成。例如：寄存器寫回階段只能有一個值存入寄存器堆，所以指令只能修改一個寄存器。
整數(shù)乘除是不可或缺的重要指令，但是不能在一個時鐘周期內(nèi)完成。MIPS CPU傳統(tǒng)的做法是發(fā)送這些操作到一個獨(dú)立的流水線單元，這個我們以后再說。
(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獨(dú)立的源操作數(shù)和一個目的操作數(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個寄存器：寄存器數(shù)量的選擇主要是由軟件需求驅(qū)動的，在現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)中一組32個通用寄存器是最為流行的。采用16個肯定不夠現(xiàn)代編譯器的需要，但是32個足夠讓C編譯器把常用的數(shù)據(jù)保存在寄存器中。采用64個或者更多的寄存器需要更大的指令域去編碼寄存器而且也增加了上下文切換的負(fù)擔(dān)。
(5)寄存器零：$0寄存器永遠(yuǎn)返回零，給這個常用的數(shù)提供一個簡縮的編碼。
(6)沒有條件碼：MIPS的指令集的一個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。
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。大的寄存器堆使得這一點(diǎn)實(shí)際遠(yuǎn)沒有聽上去那么麻煩。
(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寄存器基址加上一個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。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)寄存器，就當(dāng)作寄存器全長來處理，所以部分字節(jié)愛在指令有兩種形式——符號擴(kuò)展和零擴(kuò)展。
(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。許多CISC微處理器可以從任意字節(jié)地址加載/存儲四字節(jié)數(shù)據(jù)，但是要花費(fèi)額外的時鐘周期。
但是，MIPS指令集體系結(jié)構(gòu)確實(shí)包含有幾個特殊的指令以簡化對沒有適當(dāng)對齊的地址存取操作。
(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。C語言的語法讓大多數(shù)的計算用int 類型，對MIPS而言int就是32位的整數(shù)。
然而當(dāng)程序明確做short或者char運(yùn)算時，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)。
堆棧彈出不能適應(yīng)流水線，因?yàn)橛袃蓚€寄存器要寫。
(3)最少的子程序支持：有一點(diǎn)比較特別：跳轉(zhuǎn)指令有一個跳轉(zhuǎn)并鏈接的選項(xiàng)，把返回地址存入一個寄存器，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，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。一個異常可以來自一個中斷，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，也會進(jìn)入一個異常。所有異常都導(dǎo)致控制傳遞到同樣的固定入口地址。任何異常發(fā)生時，MIPS CPU都不會存進(jìn)堆棧、寫入內(nèi)存或者備份寄存器。
按照約定，保留了兩個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，這兩個寄存器的值隨時可能變化，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簡化的CPU了解的全部內(nèi)容。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。為了便于理解，我們畫圖說明。

圖1.3：流水線和分支延遲