MIPS体系结构.docx
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MIPS体系结构
MIPSCPU体系结构概述http:
//www.xtrj.org/mips/
陈怀临
1。
序言
本文介绍MIPS体系结构，着重于其寄存器约定，MMU及存储管理，异常和中断处理等等。
通过本文，希望能提供一个基本的轮廓概念给对MIPSCPU及之上OS有兴趣的读者。
并能开始阅读更详细的归约（SPECIFICATION）资料。
MIPS是最早的，最成功的RISC（ReducedInstructionSetComputer）处理器之一，起源于StanfordUniv的电机系.其创始人JohnL.Hennessy在1984年在硅谷创立
了MIPSINC.公司（）。
JohnL.Hennessy目前是StanfordUniv.的校长。
在此之前，他是Stanford电子工程学院的Dean。
CS专业的学生都知道两本著名的书：
“ComputerOrganizationandDesign:
TheHardware/SoftwareInterface”和
”ComputerArchitecture:
AQuantitativeApproach“。
其Co-author就是Hennessy.
MIPS的名字为“Microcomputerwithoutinterlockedpipelinestages"的缩写。
另外一个通常的非正式的说法是”Millionsofinstructionspersecond".
MIPS芯片在工业界目前用的比较多的是：
MIPSINC。
的R10000；QED（。
1996年从MIPSINC。
分（SPINOFF）出来的）的R5000，R7000等。
指令集
详细的资料请参阅MIPS归约。
一般而言，MIPS指令系统有：
MIPSI；MIPSII；MIPSIII和MIPSIV。
可想而知，指令系统是向后兼容的。
例如，基于MIPSII的代码可以在MIPIII和MIPSIV的处理器上跑一跑：
-）
下面是当我们用gcc时，如何指定指令和CPU的选项。
-mcpu=cputype
Assumethedefaultsforthemachinetypecputypewhenschedulinginstructions.Thechoicesforcputypeare`r2000',`r3000',`r4000',`r4400',`r4600',
and`r6000'.Whilepickingaspecificcputypewillschedulethingsappropriatelyforthatparticularchip,thecompilerwillnotgenerateanycodethatdoes
notmeetlevel1oftheMIPSISA（instructionsetarchitecture）withoutthe`-mips2'or`-mips3'switchesbeingused.
-mips1
Issueinstructionsfromlevel1oftheMIPSISA.Thisisthedefault.`r3000'isthedefaultcputypeatthisISAlevel.
-mips2
Issueinstructionsfromlevel2oftheMIPSISA（branchlikely,squarerootinstructions）.`r6000'isthedefaultcputypeatthisISAlevel.
-mips3
Issueinstructionsfromlevel3oftheMIPSISA（64bitinstructions）.`r4000'isthedefaultcputypeatthisISAlevel.ThisoptiondoesnotchangethesizesofanyoftheCdatatypes.
读者可能发现，对于大多数而言，我们应该是用MIPSIII或-mips3。
要提醒的是R5000和R10000也都是R4000的延伸产品。
下面是几点补充：
*MIPS指令是32位长，即使在64位的CPU上。
这对于局部跳转指令的理解很有帮助。
比如：
J（TARGET）；JAL（TARGET）。
J和JAL的OPERCODE是6位，剩下的26为存放跳转偏移量。
由于任何一个指令都是32位（或4字节）对齐（ALIGN）的，所以J和JAL最大的伸缩空间是2^28=256M。
如果你的程序要作超过256M的跳转，你就必须用JALR或JR，通过一个GPR寄存器来存放你的跳转地址。
由于一个寄存器是32或64位的，你就没有任何限制了。
*MIPSCPU的SR（STATUSREGISTER）中有几位是很重要的设置，当我们选择指令系统或要用64位的MIPS的CPUCORE在32模式下（绝大多数情况，弟兄们别告诉我你在写64位的程序：
--））。
SR[XX]：
1：
MIPSIVINSTRUCTIONSETUSABLE
0：
MIPSIVINSTRUCTIONSETUNUSABLE
SR[KX]
SR[SX]
SR[UX]：
0：
CPU工作在32位模式下
1：
CPU工作在64位模式下
一般而言，如果你要从头写一个MIPS核心为32位程序，最好把上述值设为0。
为什么最好呢？
因为我在工作中没有去冒风险，设她们为1，whoknowswhatwouldhappen?
:
-）Andthenwhybother:
--）?
*在以后我们会单独的一章讲将流水线和指令系统，特别是跳转指令的关系。
在这里，我们只简单提一下。
对任何一个跳传指令后面，FORSIMPLITY，要加上一个空转指令（NOP）。
从而使得CPU的PIPELINE不会错误的执行一个预取（PRE_FETCH）得指令。
当然这个NOP可以替换为别的。
以后再讲。
放一个NOP是最简单和安全的。
有兴趣的读者可以用mips64-elf-objdump-d来反汇编一个
OBJECT文件。
你就会一目了然了。
*一定要记住：
MIPSI，II，III和IV指令系统不包含PRIVILEDGEDINSTRUCTIONS。
换句话说，都是那些在USERMODE下可以用的指令（当然KERNEL下也能用）。
对于CPO的操作不属于指令系统。
*有一点在MIPSCPU下，要千万注意：
ALIGN。
MIPS对ALIGN的要求是严厉的。
这一点与POWERPC是天壤之别。
指令必须是32位对齐。
数据类型必须在她们的的
大小边界对齐。
简单的比如：
WhenCPUrunningunder32bitmode,intmust32bitaligned;long32bitaligned;pointermustbe32bitaligned;charmust8bitaligned.longlongmust64bitaligned;关于这一点，我是吃过苦头的。
当然我知道大家还会犯错在这里：
--），即使知道了。
有些事情学是没用的：
--）。
一定要注意。
*我建议读者阅读SPECIFICATION时要花时间看一看指令系统的定义。
其实不难。
每一种指令不外乎几个域（FIELDS）。
寄存器约定
对于在一个CPU上进行开发，掌握其工作的CPU的寄存器约定是非常重要的。
MIPS体系结构提供了32个GPR（GENERALPURPOSEREGISTER）。
这32个寄存器的用法大致如下：
REGISTERNAMEUSAGE
$0$zero常量0（constantvalue0）
$2-$3$v0-$v1函数调用返回值（valuesforresultsandexpressionevaluation）
$4-$7$a0-$a3函数调用参数（arguments）
$8-$15$t0-$t7暂时的（或随便用的）
$16-$23$s0-$s7保存的（或如果用，需要SAVE/RESTORE的）（saved）
$24-$25$t8-$t9暂时的（或随便用的）
$28$gp全局指针（GlobalPointer）
$29$sp堆栈指针（StackPointer）
$30$fp帧指针（FramePointer）
（BNN：
fpisstaleacutally,andcanbesimplyusedas$t8）
$31$ra返回地址（returnaddress）
对一个CPU的寄存器约定的正确用法是非常重要的。
当然对C语言开发者不需要关心，因为COMPILER会TAKECARE。
但对于KERNEL的开发或DRIVER开发的人就**必须**清楚。
一般来讲，你通过objdump-d可以清醒的看到寄存器的用法。
下面通过我刚才写的一个简单例子来讲解：
~/viHello.c
"Hello.c"[Newfile]
/*Exampletoillustratemipsregisterconvention
*-Author:
BNN
*11/29/2001
*/
intaddFunc（int,int）;
intsubFunc（int）;
voidmain（）
{
intx,y,z;
x=1;
y=2;
z=addFunc（x,y）;
}
intaddFunc（intx,inty）
{
intvalue1=5;
intvalue2;
value2=subFunc（value1）;
return（x+y+value2）;
}
intsubFunc（intvalue）
{
returnvalue--;
}
上面是一个C程序，main（）函数调用一个加法的子函数。
让我们来看看编译器是如何产生代码的。
~/bnn:
74>/bin/mips-elf-gcc-cHello.oHello.c-mips3-mcpu=r4000-mgp32-mfp32-O1
~/bnn:
75>/bin/mips64-elf-objdump-dHello.o
Hello.o:
fileformatelf32-bigmips
Disassemblyofsection.text:
/*mainFunction*/
0000000000000000:
/*createastackframebymovingthestackpointer8
*bytesdownandmeantimeupdatethespvalue
*/
0:
27bdfff8addiu$sp,$sp,-8
/*Savethereturnaddresstothecurrentspposition.*/
4:
afbf0000sw$ra,0（$sp）
8:
0c000000jal0
/*nopisforthedelayslot*/
c:
00000000nop
/*Filltheargumenta0withthevalue1*/
10:
24040001li$a0,1
/*JumptheaddFunc*/
14:
0c00000ajal28
/*NOTEHERE:
Whywefillthesecondargument
*behindtheaddFuncfunctioncall?
*Thisisallaboutthe"-O1"compilationoptimizaiton.
*Withmipsarchitecture,theinstrucitonafterjump
*willalsobefetchedintothepiplineandget
*exectuted.Therefore,wecanpromisethatthe
*secondargumentwillbefilledwiththevalueof
*integer2.
*/
18:
24050002li$a1,2
/*Loadthereturnaddressfromthestackpointer
*Noteherethattheresultv0containstheresultof
*addFuncfunctioncall
*/
1c:
8fbf0000lw$ra,0（$sp）
/*Return*/
20:
03e00008jr$ra
/*Restorethestackframe*/
24:
27bd0008addiu$sp,$sp,8
/*addFuncFunction*/
0000000000000028:
/*Createastackframebyallocating16bytesor4
*wordssize
*/
28:
27bdfff0addiu$sp,$sp,-16
/*Savethereturnaddressintothestackwith8bytes
*offset.Pleasenotethatcompilerdoesnotsavethe
*rato0（$sp）.
*Thinkofwhy,incontrastofthepreviousPowerPC
*EABIconvention
*/
2c:
afbf0008sw$ra,8（$sp）
/*Wesavethes1reg.valueintothestack
*becausewewilluses1inthisfunction
*Notethatthe4,5,6,7（$sp）positionswillthen
*beoccupiedbythis32bitssizeregister
*/
30:
afb10004sw$s1,4（$sp）
/*Withesamereason,saves0reg.*/
34:
afb00000sw$s0,0（$sp）
/*Retrievetheargument0intos0reg.*/
38:
0080802dmove$s0,$a0
/*Retrievetheargument1intos1reg.*/
3c:
00a0882dmove$s1,$a1
/*CallthesubFuncwitha0with5*/
40:
0c000019jal64
/*Inthedelayslot,weloadthe5intoargumenta0reg
*forsubFunccall.
*/
44:
24040005li$a0,5
/*s0=s0+s1;notethats0ands1holdsthevaluesof
*x,y,respectively
*/
48:
02118021addu$s0,$s0,$s1
/*v0=s0+v0;v0holdsthereturnresultsofsubFunc
*call;Andweletv0holdthefinalresults
*/
4c:
02021021addu$v0,$s0,$v0
/*Retrievetheravaluefromstack*/
50:
8fbf0008lw$ra,8（$sp）
/*!
!
!
!
restorethes1reg.value*/
54:
8fb10004lw$s1,4（$sp）
/*!
!
!
!
restorethes0reg.value*/
58:
8fb00000lw$s0,0（$sp）
/*Returnbacktomainfunc*/
5c:
03e00008jr$ra
/*Update/restorethestackpointer/frame*/
60:
27bd0010addiu$sp,$sp,16
/*subFuncFunction*/
0000000000000064:
/*returnbacktoaddFuncfunction*/
64:
03e00008jr$ra
/*Takingadvantageofthemipsdelayslot,fillingthe
*resultregv0bysimplyassigningthev0asthevalue
*ofa0.Thisisabugfrommycsource
*codes--"value--".Ishouldwritemycodes
*like"--value",instead.
68:
0080102dmove$v0,$a0
希望大家静下心来把上面的代码看懂。
一定要注意编译器为什么在使用s0和s1之前要先把她们SAVE起来，然后再RESTORE，虽然在这个例子中虽然main函数没用s0和s1。
另外的一点是：
由于我们加了“-O1”优化，编译器利用了“delayslot"来执行那些必须执行的指令，而不是简单的塞一个”nop"指令在那里。
非常的漂亮。
最后，考大家一个问题，为了使得大家更加理解寄存器的用法：
*在写一个核心调度contextswitch（）例程时，我们需要SAVE/RESTORE$t0-$t7吗？
如果不，为什么？
*在写一个时钟中断处理例程时，我们需要SAVE/RESTORE$t0-$t7吗？
如果是，为什么？
MMU和MemoryManagement
对于MIPS的MMU和MemoryManagement,thefirstandyetimportantoneweneed
always
keepinmindis:
Noreal-mode
没有实模式。
这一点是MIPSCPU的一个很重要的特点（或缺点）。
我们会问了：
BNN，Givemeabreak.WithoutCPUrunninginthereal-mode,
howcouldyoubootupakernel?
Well,hereisthething:
Bydefault,MIPSarchitecture,whenpoweron,hasenabled/mappedtwomemory
areas.Inotherwords,thosetwomemoryareasaretheplaceswhereyour
bootcodesHAVETOresidentandrunontopof.Ifyoureadthemakefiles
ofMIPSlinuxsourcetree,youwouldeasilyfindtheinfor.Forexample,
0x8000xxxxorsomethingslikethat.
*MIPS存储体系结构
我们在这里不谈64位CPU，只谈32位的。
MIPS将存储空间划分为4大块--kuseg,kseg0,kseg1andkseg2.
------------------------------------------------------------------
0xFFFFFFFF
mappedkseg2
0xC0000000
unmappeduncachedkseg1
0xA0000000
unmappedcachedkseg0
0x80000000
2Gkuseg
0x00000000
------------------------------------------------------------------
对于上述图表，弟兄们要记住以下几点：
*当开电（PowerOn）的时候，只有kseg0andkseg1是可以存取的。
*kseg0512M（From0x80000000to0xA0000000）areDIRECTLYmappedtophyiscal_
memoryrangingfrom0x00000000to0x20000000,withcache-able（eitherwrite
backorwritethrough,whichisdecidedbySR（StatusRegisterofMIPSCPU）_
*kseg1512M（From0xA0000000to0xC0000000）are（also）DIRECTLymapped
tophysicalmemoryrangingfrom0x00000000t00x20000000,withnon-cachable.
以上两点对于理解MIPSOS的启动是至关重要的。
细心的读者会发现：
kseg1有点象
其他CPU的real-mode方式。
*（虚拟）地址from0x00000000to0x80000000是不可以存取的，在加电时（POWER
ON）！
必须等到MMUTLB初始化之后才可以。
*同理对地址from0xC0000000to0xFFFF0000
*MIPS的CPU运行有3个态--UserMode;SupervisorModeandKernelMode.
Forsimplicity,let'sjust
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