R格式指令
基本格式
| 标记 |
op |
rs |
rt |
rd |
shamt |
funct |
| 位数 |
31-26 |
25-21 |
20-16 |
15-11 |
10-6 |
5-0 |
| 功能 |
操作符 |
源操作数寄存器1 |
源操作数寄存器2 |
目的操作数寄存器 |
位移量 |
操作符附加段 |
指令
算数类指令
| 指令 |
op |
rs |
rt |
rd |
shamt |
funct |
功能 |
| add |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100000 |
rd=rs+rt |
| addu |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100001 |
rd=rs+rt（无符号数） |
| sub |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100010 |
rd=rs-rt |
| subu |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100011 |
rd=rs-rt（无符号数） |
| slt |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
101010 |
rd=(rs<rt)?1:0 |
| sltu |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
101011 |
rd=(rs<rt)?1:0（无符号数） |
逻辑类指令
| 指令 |
op |
rs |
rt |
rd |
shamt |
funct |
功能 |
| and |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100100 |
rd=rs&rt |
| or |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100101 |
rd=rs\ |
rt |
| xor |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100110 |
rd=rs xor rd |
| nor |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
100111 |
rd=!(rs\ |
rt) |
位移类指令
| 指令 |
op |
rs |
rt |
rd |
shamt |
funct |
功能 |
| sll |
000000 |
00000 |
rt |
rd |
shamt |
000000 |
rd=rt<<shamt |
| srl |
000000 |
00000 |
rt |
rd |
shamt |
000010 |
rd=rt>>shamt |
| sra |
000000 |
00000 |
rt |
rd |
shamt |
000011 |
rd=rt>>shamt（符号位保留） |
| sllv |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
000100 |
rd=rt<<rs |
| srlv |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
000110 |
rd=rt>>rs |
| srav |
000000 |
rs |
rt |
rd |
00000 |
000111 |
rd=rt>>rs（符号位保留） |
跳转指令
| 指令 |
op |
rs |
rt |
rd |
shamt |
funct |
功能 |
| jr |
000000 |
rs |
00000 |
00000 |
00000 |
001000 |
PC=rs |
I格式指令
基本格式
| 标记 |
op |
rs |
rd |
im |
| 位数 |
31-26 |
25-21 |
20-16 |
15-0 |
| 功能 |
操作符 |
源操作数寄存器 |
目的操作数寄存器 |
立即数 |
指令
算数指令
| 指令 |
op |
rs |
rd |
im |
功能 |
| addi |
001000 |
rs |
rd |
im |
rd=rs+im |
| addiu |
001001 |
rs |
rd |
im |
rd=rs+im（无符号数） |
| slti |
001010 |
rs |
rd |
im |
rd=(rs<im)?1:0 |
| sltiu |
001011 |
rs |
rd |
im |
rd=(rs<im)?1:0（无符号数） |
逻辑类指令
| 指令 |
op |
rs |
rd |
im |
功能 |
| andi |
001100 |
rs |
rd |
im |
rd=rs&im |
| ori |
001101 |
rs |
rd |
im |
rd=rs\ |
im |
| xori |
001110 |
rs |
rd |
im |
rd=rs xor im |
载入类指令
| 指令 |
op |
rs |
rd |
im |
功能 |
| lui |
001111 |
00000 |
rd |
im |
rt=im*65536 |
| lw |
100011 |
rs |
rd |
im |
rt=memory[rs+im] |
| sw |
101011 |
rs |
rd |
im |
memory[rs+im]=rt |
跳转类指令
| 指令 |
op |
rs |
rd |
im |
功能 |
| beq |
000100 |
rs |
rd |
im |
PC=(rs==rt)?PC+4+im<<2:PC |
| bne |
000101 |
rs |
rd |
im |
PC=(rs!=rt)?PC+4+im<<2:PC |
J格式指令
基本格式
| 标记 |
op |
address |
| 位数 |
31-26 |
25-0 |
| 功能 |
操作符 |
地址 |
指令
| 指令 |
op |
address |
功能 |
| j |
000010 |
addr |
PC={(PC+4)[31,28],addr,00} |
| jal |
000011 |
addr |
$31=PC;PC={(PC+4)[31,28],addr,00} |
指令分析
指令格式
不同格式的指令具有不同的功能，其中：
- R格式指令为纯寄存器指令，所有的操作数（除移位外）均保存在寄存器中。Op字段均为0，使用funct字段区分指令
- I格式指令为带立即数的指令，最多使用两个寄存器，同时包括了load/store指令。使用Op字段区分指令
- J格式指令为长跳转指令，仅有一个立即数操作数。使用Op字段区分指令
数据通路
以上的指令包括以下几种与指令有关的数据通路：
- 指令——寄存器组：R格式指令均为寄存器指令，需要指令提供寄存器地址
- 指令——运算单元（ALU）：运算指令由指令提供运算类型，同时提供参与运算的立即数和位移量
- 指令——存储器：load/store指令的寻址方式仅为寄存器偏移量寻址，需要指令提供立即数偏移量
- 指令——PC：J格式指令需要将指令中的立即数载入PC中
同时还有几种必备的与指令无关的数据通路：
- 寄存器组——运算单元（ALU）：寄存器组为运算单元提供操作数，运算结果存在寄存器组中
- 寄存器组——存储器：load/store指令的两端
- 寄存器组——PC：跳转指令与寄存器组有关
当使用哈弗结构时，数据通路框图如下所示：
流水线划分
若使用流水线实现，可以将流水线划分为：取指->译码->准备操作数->执行->回写四个阶段：
- 取指阶段：按PC从指令寄存器中取出完整的32位指令，之后PC自增
- 译码阶段：按指令的高6位（Op字段）将指令解释为相应的格式
- 准备操作数阶段：按指令中的对应字段准备操作数，包括：计算地址（load/store指令），取出寄存器中的操作数置于数据总线（寄存器指令），计算PC值（跳转指令）等
- 执行阶段：执行指令，包括：访问存储器（load/store指令），ALU运算（计算类指令），刷新PC值（跳转指令）等
- 回写阶段：将结果存入寄存器中，包括：ALU的运算结果（计算类指令），访存结果（load指令），原PC值（带返回跳转指令）等
