Материал: Архитектура и программирование MIPS-процессоров. Разинкин К.А

Длина команд в архитектуре MIPS составляет 32 бита, при этом некоторые из них используют только часть из этих бит. И хотя можно было бы сделать длину команд переменной, это излишне усложнило бы архитектуру.

Для простоты можно было бы также определить единый формат для всех инструкций, но, как уже говорилось, такой подход обернулся бы серьезными ограничениями. В архитектуре MIPS в качестве компромисса используются три формата инструкций: типа R, типа I типа J. Небольшое количество форматов обеспечивает определенное единообразие между всеми тремя типами и, как следствие, более простую аппаратную реализацию. При этом разные форматы позволяют учитывать различные потребности инструкций, как, например, необходимость хранить большие константы внутри инструкций.

Инструкции типа R используют три регистровых операнда. Инструкции типа I используют два регистровых операнда и 16-битнуюконстанту. Инструкции типа J (англ.: jump

– прыжок, переход) используют 26-битную константой.

Инструкции типа R

Название типа R является сокращением от регистрового типа (англ. register-type). Инструкции типа R используют три регистра в качестве операндов: два регистра-источника и один регистр-назначение. На рис. 2.1 показан машинный формат команды типа R. 32-битная команда состоит из шести полей: op, rs, rt, rd, shamt и funct. Каждое поле состоит из пяти или шести бит.

Рис.2.1. Формат команды типа R

51

Операция, выполняемая командой, закодирована двумя полями, отмеченными синим цветом: полем op (также называемым opcode иликодом операции) и полем funct (также называемым функцией). У всехкоманд типа R поле opcode равно нулю. Операция, выполняемая этими командами, определяется исключительно полем funct. Например, поля opcode и funct у

инструкции add равны 0 (0000002) и 32 (1000002) соответ-

ственно. Аналогично, у команды sub поля opcode и funct равны 0 и 34. Операнды закодированы тремя полями: rs, rt и rd. Поля содержат номера регистров, приведенные в п.1.1.1. Например, $s0 – это регистр с номером 16. Регистры rs и rt являются регистрами-источниками, а rd – регистром-назначением (или регистром результата).

Пятое поле, shamt, используется только для операций сдвига. В такихкомандах двоичное значение, хранимое в 5- битном поле shamt, задаёт величину сдвига (англ.: shiftamount). У всех остальных команд типа R поле shamt равно 0.

На Рис. 2.2 показан машинный код для двух инструкций типа R – add иsub. Обратите внимание на то, что в инструкции на языке ассемблера регистр-назначение идёт первым, а в команде на машинном языке он третий. Например, в ассемблерной инструкции add $s0, $s1, $s2 поле rs = $s1 (17), поле rt = $s2

(18), а поле rd = $s0 (16).

Рис. 2.2. Машинный код для инструкций типа R

В табл. B.1 и табл. B.2 приложения 1 перечислены значения поля opcode для всех команд, встречающихся в этой книге, и значения поля funct для команд типа R.

52

Пример. Трансляция с языка ассемблера в машинный

язык.

Транслируйте приведенную ниже ассемблерную инструкцию в машинный язык add $t0, $s4, $s5

Решение: как показано в п. 1.1.1, номера регистров $t0, $s4 и $s5 равны 8, 20 и 21 соответственно. Согласно табл. B.1 и табл. B.2, поле opcode для команды add равно нулю, а поле funct равно 32. Поля и получившийся машинный код показаны на рис. 2.3. простейший способ получить шестнадцатеричный машинный код – это сначала записать машинный код в двоичном виде, а затем поделить его на группы по четыре бита, которые заменить соответствующими шестнадцатеричными цифрами. Таким образом, для этой инструкции машинный код равен 0x02954020.

Рис. 2.3. Машинный код для инструкции типа R из примера

Инструкции типаI

Название типа I является сокращением от непосредственного типа (англ. immediate-type). Инструкции типа I используют в качестве операндов два регистра и один непосредственный операнд (константу).

На рис. 2.4 показан формат машинной команды типа I. 32-битная команда состоит из четырёх полей: op, rs, rt и imm. Первые три поля (op, rs и rt) аналогичны таким же полям в командах типа R. Поле imm (сокр. от англ. immediate) содержит 16-битную константу.

Рис.2.4. Формат команды типа I

53

Операция определяется исключительно полем opcode, отмеченным синим цветом. Операнды заданы в трёх полях: rs, rt и imm. Поля rs и imm всегда используются как операндыисточники. Поле rt в некоторых командах (например, addi и lw) содержит номер регистра-назначения, в других (например, sw)

– номер регистра-источника.

На рис. 2.5 приведено несколько примеров кодирования инструкций типа I. Вспомним, что отрицательные значения констант записывают в виде 16-битных чисел, представленных в дополнительном коде.

В инструкции на языке ассемблера поле rs указывают первым в том случае, когда оно содержит номер регистраназначения, но в команде машинного языка оно всегда является вторым по счету.

Инструкции типа I содержат 16-битную константу imm, но константы участвуют в 32-битных операциях. Например, инструкция lw добавляет 16-битное смещение к 32битному базовому адресу. Что же произойдёт в верхних 16 битах? 16-битные константы сначала будут расширены до 32 бит следующим образом: у неотрицательных констант верхние 16 бит будут заполнены нулями, а у отрицательных констант они будут заполнены единицами. Этот приём называется расширением знака. N-битное число расширяется знаком до M-битного числа (M > N) путём копирования знакового (старшего) бита N-битного числа во все старшие биты M-битного числа.

Расширение знака у числа, представленного в дополнительном коде, не меняет его значения. После расширения константы будет выполнена основная операция инструкции.

Рис. 2.5. Машинный код для инструкций типа I

54

Большинство команд MIPS производят расширение знака у непосредственных операндов. Например, addi, lw и sw производят расширение знака при использовании как положительных, так и отрицательных констант. Исключением из правила являются логические операции (andi, ori, xori), которые вместо расширения знака делают дополнение нулями, заполняя верхнюю половину теперь уже 32-битной константы нулями.

Пример.Трансляция инструкций типа I в машинный код. Транслируйте приведенную ниже инструкцию в машин-

ный код. $s3,−24($s4)

Решение: согласно п.1.1.1, номера регистров $s3 и $s4 равны 19 и 20 соответственно. Как показано в Табл. B.1, код операции (opcode) команды lw равен. Поле rs указывает на регистр $s4, содержащий базовый адрес, а поле rt указывает на регистр-назначение $s3. Поле imm, хранящее непосредственный операнд, содержит смещение, равное −24. Поля и получившийся машинный код показаны на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Машинный код для инструкций типа I из примера

Инструкции типа J

Название типа J является сокращением от английского слова прыжок (англ.: jump). Этот формат используется только для инструкций безусловного перехода и ветвления. Как показано на рис. 2.7, в формате команд этого типа определён только один 26-битный операнд addr.

Рис. 2.7. Формат команды типа J

55