北京大学MIPS体系结构详解：设计原则与指令集

MIPS体系结构是北京大学计算机科学技术系与微处理器研究开发中心的一门重要课程，主要针对那些希望深入了解MIPS指令系统体系结构的学生。MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种广泛应用于嵌入式系统和高性能处理器的架构，以其简洁的设计和灵活性而知名。 MIPS指令系统体系结构的核心内容包括以下几个方面： 1. **通用寄存器和数据处理**： MIPS使用通用寄存器进行load-store操作，即数据的加载和存储，这些操作是大多数指令的基础。它支持多种寻址方式，如基于偏移量（displacement）的12到16位地址、立即数（immediate）8到16位，以及延迟寻址（register deferred），允许灵活访问内存。 2. **简单指令集**： MIPS指令集包含诸如load、store、加法（add）、减法（subtract）、移位（shift）、比较（compare equal和compare not equal）、分支（with PC相对地址，至少8位长）、跳转（jump）、函数调用（call）和返回（return）等基本操作，这确保了高效的执行效率。 3. **数据类型和编码方案**： MIPS支持不同位宽的数据，如8位、16位、32位整数，以及32位和64位的IEEE 754浮点数。在性能优化时，可以选择固定指令编码方案，以减少解码时间和存储空间；而在追求代码紧凑性时，可以采用可变指令编码方案。 4. **寄存器数量和配置**： MIPS提供至少16个通用寄存器，还有专门的浮点寄存器，以满足不同计算需求。所有寻址方式都被设计成能够适应数据传输指令，确保灵活性。 5. **执行周期**： MIPS处理器的工作流程涉及fetch（从程序存储系统获取指令）、decode（确定动作和指令大小）、operand fetch（定位并获取操作数）、execute（计算结果）、store（将结果存入存储器）以及决定下一条指令（next instruction）。 6. **指令系统设计原则**： MIPS的设计目标是实现一个简洁、低开销的指令集，同时考虑到性能和代码大小的权衡。这意味着它可能不是功能最全面的，而是瞄准了对特定应用而言的最低性能要求。 通过北京大学的这一课件，学习者可以深入理解MIPS架构的细节，这对于从事嵌入式系统、系统软件或者硬件设计的工程师来说，都是非常有价值的参考资料。同时，它还涵盖了计算机组织与系统结构课程中的核心概念，有助于构建完整的计算机系统知识体系。