一,、MIPS指令集的限制
(1)所有指令長(zhǎng)度都是32位：這意味著沒(méi)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(méi)有指令可以超過(guò)四個(gè)字節(jié),。
隨之而來(lái)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),。這樣裝入任意32位數(shù)值需要一個(gè)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(xiàn)：只能在相應(yīng)的流水線(xiàn)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(xiě)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,。
整數(shù)乘除是不可或缺的重要指令，但是不能在一個(gè)時(shí)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(gè)獨(dú)立的流水線(xiàn)單元,，這個(gè)我們以后再說(shuō)。
(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(lái)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,。采用64個(gè)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(gè)常用的數(shù)提供一個(gè)簡(jiǎn)縮的編碼,。
(6)沒(méi)有條件碼：MIPS的指令集的一個(gè)特征就是沒(méi)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(lái)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(cè)通用寄存器,。那樣確實(shí)有利于流水線(xiàn)實(shí)現(xiàn),，因?yàn)槟軌驕p少對(duì)算術(shù)/邏輯操作依賴(lài)的巧妙機(jī)制不論從哪一種也都同時(shí)會(huì)減少比較/分支指令對(duì)中的依賴(lài)。
我們后邊會(huì)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(xiàn)周期內(nèi)作出：該體系結(jié)構(gòu)通過(guò)保持分支決策的測(cè)試條件簡(jiǎn)單有助于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),。所以MIPS的條件分支只測(cè)試單個(gè)寄存器的符號(hào)/為零或者一對(duì)寄存器是否相等,。
二、尋址和訪存
(1)訪問(wèn)內(nèi)存只能通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器加載和存儲(chǔ)：對(duì)內(nèi)存變量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算會(huì)打亂流水線(xiàn),。,，所以不這么做。每次內(nèi)存訪問(wèn)都要一條顯式的加載或存儲(chǔ)指令,。大的寄存器堆使得這一點(diǎn)實(shí)際遠(yuǎn)沒(méi)有聽(tīng)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(chǔ)都通過(guò)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(yǔ)句語(yǔ)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(duì)8-和16-位變量提供了一套完整的裝入/存儲(chǔ)操作,。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)寄存器,，就當(dāng)作寄存器全長(zhǎng)來(lái)處理，所以部分字節(jié)愛(ài)在指令有兩種形式——符號(hào)擴(kuò)展和零擴(kuò)展,。
(4)load/store必須對(duì)齊：內(nèi)存操作只能從對(duì)齊到相應(yīng)數(shù)據(jù)類(lèi)型邊界的地址加載荷存儲(chǔ)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(duì)齊,，字在四字節(jié)邊界對(duì)齊,。許多CISC微處理器可以從任意字節(jié)地址加載/存儲(chǔ)四字節(jié)數(shù)據(jù)，但是要花費(fèi)額外的時(shí)鐘周期,。
但是,，MIPS指令集體系結(jié)構(gòu)確實(shí)包含有幾個(gè)特殊的指令以簡(jiǎn)化對(duì)沒(méi)有適當(dāng)對(duì)齊的地址存取操作。
(5)跳轉(zhuǎn)指令：有限的32為指令長(zhǎng)度在想要支持很大程序的體系結(jié)構(gòu)上對(duì)分支是個(gè)問(wèn)題,。MIPS指令的最小操作碼域?yàn)?位,，留出了26位來(lái)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(duì)齊的,，低兩位地址無(wú)需保存,，這樣可有256MB的地址范圍。這個(gè)地址不是相對(duì)PC的,，而是解釋成256MB段內(nèi)的絕對(duì)地址,。這對(duì)大于256MB的單個(gè)程序極為不便，到目前按還沒(méi)有碰到太大的問(wèn)題,。
超出段內(nèi)的分支可以通過(guò)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(duì)齊的——解釋成相對(duì)PC的帶符號(hào)的偏移量,。如果知道分支目標(biāo)會(huì)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(jiǎn)單的條件分支指令。
三,、MIPS沒(méi)有的特性
(1)沒(méi)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(yǔ)言的語(yǔ)法讓大多數(shù)的計(jì)算用int 類(lèi)型,，對(duì)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(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(méi)有對(duì)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(méi)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(yǔ)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(wú)關(guān),。
堆棧彈出不能適應(yīng)流水線(xiàn),，因?yàn)橛袃蓚€(gè)寄存器要寫(xiě)。
(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(jiàn)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(jiǎn)單,，但卻帶來(lái)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(kāi)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(lèi)型。一個(gè)異?？梢詠?lái)自一個(gè)中斷,，來(lái)自對(duì)物理上不存在的虛擬內(nèi)存的試圖訪問(wèn)、或者其它很多情況,。一條有意引入的,、類(lèi)似系統(tǒng)調(diào)用的,、用來(lái)進(jìn)入受保護(hù)的OS內(nèi)核的自陷指令發(fā)生時(shí)，也會(huì)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,。任何異常發(fā)生時(shí)，MIPS CPU都不會(huì)存進(jìn)堆棧,、寫(xiě)入內(nèi)存或者備份寄存器,。
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(duì)于運(yùn)行在允許中斷和自陷的任何系統(tǒng)上的程序來(lái)說(shuō)，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(jiàn)的流水線(xiàn)效果
到目前為止,，以上就是你需要從一個(gè)簡(jiǎn)化的CPU了解的全部?jī)?nèi)容,。然而使得指令集適應(yīng)流水線(xiàn)也會(huì)導(dǎo)致一些奇怪的效果。為了便于理解,，我們畫(huà)圖說(shuō)明,。
圖1.3：流水線(xiàn)和分支延遲
(1)延遲分支：MIPS CPU的流水線(xiàn)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(kāi)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。緊接分支指令后的指令位置稱(chēng)為分支延遲槽,。
要是硬件沒(méi)有特殊處理,，是否分支的決定以及分支的目標(biāo)地址，就會(huì)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(xiàn)槽都來(lái)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(lái)的半個(gè)時(shí)鐘周期的偏移,，就剛好來(lái)得及去除分支目標(biāo)指令作為下下一個(gè)指令。這樣硬件就會(huì)運(yùn)行分支指令,、接著運(yùn)行分支延遲槽指令,、然后是分支目標(biāo)指令——再?zèng)]有其它的延遲。
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(guò)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(duì)于條件分支問(wèn)題會(huì)有點(diǎn)復(fù)雜,，分支延遲指令應(yīng)當(dāng)對(duì)兩條分支路徑都無(wú)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(duì)程序員隱藏這個(gè)古怪的特性。
圖1.4：流水線(xiàn)和加載延遲
(2)數(shù)據(jù)加載延遲：流水線(xiàn)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(kāi)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(chēng)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(duì)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(guò)早使用結(jié)果,，CPU將停下來(lái)等待數(shù)據(jù)到達(dá),。但是早期的MIPS CPU沒(méi)有互鎖,，在延遲槽中試圖使用數(shù)據(jù)將導(dǎo)致無(wú)法預(yù)料的結(jié)果,。