MIPS 指令系统与体系结构实践：MIPSsim 模拟器探索

"本次实验主要关注MIPS指令系统和MIPS体系结构的理解与应用，通过使用MIPSsim模拟器进行实践操作。实验旨在让学习者掌握MIPSsim的使用，理解MIPS指令的操作语义，并熟悉MIPS架构。实验过程中，学生需要分析汇编代码，观察程序执行的不同阶段，以及CPU寄存器和存储器的内容变化。 1. MIPS指令系统： MIPS指令系统是精简指令集计算机(RISC)的一种，特点是简单、高效。它包括数据传输、算术运算、逻辑运算、控制转移等多种指令。在MIPS指令中，"ADDIU"指令用于进行无符号整数加法，其中"U"表示无符号。例如，"ADDIU $r8, $r0, Data"将立即数Data加载到寄存器$r8中，这里的Data通常是以二进制形式表示的。在实验中，由于Data的值为128（10000000），在16位立即数字段中，它被截断为124（00011100）。 2. MIPS体系结构： MIPS体系结构采用五级流水线结构，包括取指(IF)、解码(DE)、执行(EX)、内存访问(MEM)和写回(WB)阶段。实验要求模拟器工作在非流水线方式，以便更好地观察每个指令的执行过程。在实验中，学生需要熟悉如何设置模拟器的工作模式。 3. 模拟器操作： MIPSsim模拟器提供了一个交互式的环境来模拟MIPS指令的执行。学生需要学习如何加载、执行和调试汇编代码。例如，载入"alltest.s"程序后，可以通过单步执行、多步执行或设置断点来观察程序执行的过程，同时查看CPU寄存器和存储器的内容变化，以验证对MIPS指令的理解。 4. 数据存储和类型： 在MIPS系统中，数据可以以小端或大端模式存储。实验中提到的模拟器使用小端存储，意味着数值的最低有效位先存储。在解释指令如"LB"（加载字节）、"LW"（加载字）和"LBU"（加载无符号字节）时，要注意数据的字节序和类型。例如，"LB"加载带符号字节，因此当加载的字节是80H（二进制10000000）时，由于它是补码表示的-128。而"LW"和"LBU"不考虑符号，直接取数值，所以会得到128。 5. 数值转换： 十六进制数80H转换为十进制是128。在MIPS中，立即数或数据在内存中以二进制形式存储。80H的二进制形式是10000000，这在有符号整数中表示-128，但在无符号数中直接表示128。 通过这次实验，学生不仅掌握了MIPS指令的使用，还深化了对计算机底层工作原理的理解，尤其是数据的存储、处理和类型转换。这些知识对于深入学习计算机组成原理和系统级编程至关重要。"