知识点

Simple-MIPS教学指令集

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定位与记号

Simple-MIPS是为教学目的设计的简化指令集。它参考MIPS等真实架构，但并不完全等同于真实的MIPS指令集，目的是更直观地讲解计算机组成原理的核心概念。本页的指令都按Simple-MIPS的写法给出；PC、IR、ALU和寄存器组如何配合执行这些指令，见CPU的核心部件。

每条Simple-MIPS指令固定32位，每个通用寄存器也固定32位。常见指令的基本形式是

1
操作码 目标, 源1, 源2

操作数按角色分为以下几类：

寄存器编号的具体分工（$zero、$t0–$t9、$s0–$s7等）由寄存器组的约定决定，不在指令本身的语义里体现。

表中的mov、shiftl、shiftr是教学指令集里的名称，汇编写法分别是move、sll、srl；goto对应真实MIPS的j。读真实MIPS汇编时按真实指令集的助记符理解，不要混用。

load与store都采用“基址寄存器加偏移”的寻址方式：$rs中存放基址，offset是立即数，实际访问的地址为两者之和。偏移可以为0，此时直接访问 $rs指向的字。这两条指令一次都只移动一个32位的字。

可以借助一个类比记住方向：寄存器像手边的工作台，内存像书架；load把数据从书架搬到工作台，store把工作台的内容放回书架。所以load的 $rt是写入目标，store的 $rt是数据来源。

复制指令把源寄存器的值写到目标寄存器，两个寄存器此后的值相同。Simple-MIPS把复制视为一条基本指令；真实MIPS通常用add或or与 $zero配合实现，例如add $t0, $t1, $zero。

sub把 $rs当作被减数、$rt当作减数，结果写入 $rd。减法由ALU完成，操作数来自寄存器组，写法与slt一样是三个寄存器。例如 $t1为10、$t2为3时，sub $t0, $t1, $t2使 $t0等于7。

shamt给出移动的位数。当左移结果未丢失高位时，左移shamt位相当于乘以 $2^{shamt}$ ；对无符号数，右移shamt位相当于除以 $2^{shamt}$ 并向下取整。这个“相当于除以”的结论只对非负整数成立：srl是逻辑右移，左侧补0，不能用它处理带符号数的除法。

slt和sle不改变执行顺序，它们只把比较结果写成0或1；beqz检查一个寄存器是否为0，为0就转到标签；goto无条件转到标签，实质是把PC置为标签对应的地址，例如goto Loop回到循环开头。三者配合，才能让程序离开“顺序执行”：

sle是伪指令，汇编器通常把它展开成与slt相关的指令序列。它的语义完整，可以直接在作业中使用，只是不要把它当成硬件直接实现的一条指令。

load与store的地址计算

设 $s1中存放0x1000。

1
lw $t0, 4($s1)    # 读地址0x1004
2
sw $t0, 8($s1)    # 写地址0x1008

lw把地址0x1004处的字读入 $t0；随后sw把 $t0的内容写到地址0x1008。两次访问的地址都由 $s1加上偏移得到，$s1本身不变。

复制寄存器：move与add ... $zero

1
move $t0, $t1
2
add  $t0, $t1, $zero

两条指令都把 $t1的值复制到 $t0。第二条利用 $zero恒为0：$t1 + 0仍等于 $t1，所以结果与move相同。

移位代替乘除

1
sll $t0, $t1, 2   # $t1 = 5时，$t0 = 20
2
srl $t0, $t2, 2   # $t2 = 13时，$t0 = 3

左移2位相当于乘以 $2^2=4$ ，所以 $5\times 4=20$ ；右移2位相当于除以4并向下取整，所以 $13\div 4=3$ 。

比较结果如何交给分支

设 $s2的值为5，依次考察 $s1取不同值时的结果：

`$s1`的值	`slt $t0, $s1, $s2`	`sle $t0, $s1, $s2`	`beqz`接在`slt`后	`beqz`接在`sle`后
3	1	1	不跳转	不跳转
5	0	1	跳转	不跳转
7	0	0	跳转	跳转

slt在相等时给出0，sle在相等时给出1，这是两条比较指令唯一的差别。beqz只看寄存器是不是0，所以它接在slt后面时，跳转的含义是“不小于”；若接在sle后面，跳转的含义变成“大于”。写循环时要先确定自己用的是哪一条。

改变寄存器的值和比较指令，查看beqz的去向。