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深入浅出MIPS 〇 序章 信息时代的世界，有着光鲜亮丽的外壳。Web2.0 的时代，有哪些信誉好的足球投注网站引擎，SNS，流媒体...这 绚丽多彩的一切，流光溢彩，仿佛云霓灿烂。 剥去这光鲜的外壳，深入到底层的世界。内核，体系结构，编译器...完全是0 和 1 组成的 黑白世界，初涉之难免觉得味同嚼蜡。 但是，正如单一的白光在三棱镜下，会绽放出七彩的光谱，黑白的计算机底层世界，却有着 魔法一般丰富的内涵。当我们看穿华丽的GUI 界面的伪装，探究到内核的奥秘时，我们会发现 这是一个迷人的微观世界。这个美丽新世界，最具魅力的是哪些呢？ 体系结构。它是计算机系统的基石。它从根本上决定了这个系统的性能。当程序中出现错误 时，对体系结构的理解，能大大加快Bug 的定位。体系结构是底层世界的根基。 操作系统。它是计算机系统的灵魂。操作系统屏蔽了底层硬件的差异，为上层软件提供了统 一的API。多任务操作系统还可以让计算机并行处理不同的任务，巧妙的设计可以发挥CPU 最 大的潜力。目前的必威体育精装版操作系统版本，还可以支持多CPU 并发处理。操作系统内核是底层世界 的统治者。 编译器。编译器是体系结构的翻译官。它能够将高级语言翻译成机器指令，与操作系统提供 的API 接口连接，开发出各种应用程序。好的编译器还可以针对硬件做优化。编译器是底层世 界的一把金钥匙。 体系结构，操作系统，编译器支撑起的系统，如同三只足支撑的一只鼎。操作系统中的经典 之作，是Linux；对应的编译器是gcc 系列工具链。关于这些的著作早已汗牛充栋。我想给大 家介绍的，是体系结构皇冠上的明珠——MIPS。 深入浅出MIPS 一 MIPS 概述 英国科学家Dominic Sweetman(经典著作See MIPS Run 的作者)，称MIPS 为“高效的RISC 体系结构中最优雅的一种体系结构”。它是一个双关语：即是 Microcomputer without Interlocked Pipeline Stages 的缩写，同时又是Millions of Instructions Per Second 的缩 写。 MIPS 的处理单元是一个五级流水线：Instruction Fetch, Register Decoder, ALU, Memory 以及Write back。一开始的MIPS 是为32 位系统设计的，实际上，后续的64 位扩 展，也依然对32 位的工作模式向下兼容着。一如其他的RISC 处理器，MIPS 的每条指令长度 是固定的32bit。（因此，最长的局部跳转指令只能跳转2 的26 次方Byte，也就是2 的24 次 方条指令） MIPS 有32 个通用寄存器，编程者可以使用其中除$0 外的所有寄存器暂存数据。$0 寄存 器，在硬件上被设计为永远读出 0。我们可以用$0 寄存器的此特性，实现一些技巧性的编程， 譬如实现NOP 操作。MIPS 本没有NOP 指令，但由于对$0 寄存器的写入实际上无意义，可以 作为空操作使用。 事实上，编译器从高级语言（典型如C/C++）转换为MIPS 汇编指令时，一般总是遵守一 定的寄存器使用约定。某些寄存器用来从函数中传入和传出参数，存储临时数据，另一些则起特 殊作用，如保存调用函数时的指令地址，或作为堆栈指针等。如果你使用汇编开发，理论上可以 无视这点约定，但是，一般地，遵守这个约定，与人方便，也为己方便。关于寄存器使用的约定， 以后会展开论述。 一如所有的RISC 处理器，MIPS 没有CISC 那样复杂多变的寻址方式，统一为Load/Store 寻址。任何载入和存储操作，都可写为如下形式： lw $1, offset ($2) 这条指令的操作符可以为 Load 或 Store，一次 Load/Store 操作的范围可以为字/半字/ 字节（对应gcc 的int, short 和char）。偏移量是一个带符号的16bit 整数。两个作为操作数 的寄存器可以是任何通用寄存器。（你可以向$0 写入，但无任何意义，等同于空操作）。对于64 位模式下，也可以对double 类型进行操作。注意Load/Store 都必须对应一个对齐的地址，否 则会引发一个异常(Exception)。 MIPS 支持最多4 个协处理器。协处理器CP0 为CPU 的控制协处理器，是体系结构中必须 实现的。CP1 为浮点处理器。CP2 保留，各生产厂商往往用来实现一些自己的特色功能，例如 RMI 的Fast Message Ring 等。