MIPS 指令

操作码的长度决定了可以提供多少个指令数；操作码的编码一定要有唯一的解释

一、计算机的寻址方式

立即寻址：指令中给出操作数
直接寻址：指令中给出操作数所在的有效地址
间接寻址：指令中给出一个间接地址，间接地址在内存中寻找直接地址，直接地址读出操作数
寄存器间接寻址：指令给出寄存器编号，根据寄存器内容找出操作数
基址寻址：指令中给出一个寄存器编号，同时给出一个偏移地址，基址寄存器内容+偏移地址从内存中取操作数

二、操作码编码

定长操作码编码
扩展操作码编码

三、MIPS 的指令可以分为 3 种操作类型

R 型
I 型
J 型

1、R 型指令

OP：000000 由 func 来决定他的功能
rs、rt 是两个源操作数所在的寄存器号
rd 是目的操作数所在的寄存器号
shamt 是位移量，执行移位操作的时候指明需要移动的次数

同时也要牢记 R 型指令的指令表：

2、I 型指令

操作功能由 OP 决定
rs 是第一个源操作数，immediate 是第二个源操作数
rt 是目的操作数所在的寄存器编号

I 型指令的操作表：

在 I 型指令中，addi 指令是需要进行符号位扩展，但是 andi、ori、xori 指令只需要进行零扩展即可
sw、lw、beq、bne 等操作都是进行符号位扩展

3、J 型指令

操作功能由 OP 决定
转移地址：26 位（立即数）

J 型指令操作表：

跳转指令寻址：

伪直接寻址

PC 相对寻址

异常和中断

Cache 映射

直接映射

主存中的每个块只能放在 Cache 中的唯一位置（行）

Cache 行号=主存块号 mod Cache 行数

全相联映射

主存中的每个块可放置在 Cache 中的任何位置（行）

N 路组相联映射

一个 Set 是若干块的集合

主存和 Cache 中的组都具有同样大小（组内块数相同）

“N 路”指每个组中包含的块（行）的数目，也称为相联度

主存中的一个块首先被映射到 Cache 中的唯一一组中，然后该块可以放在这个组的任何一行中

总结

Cache 结构的表示

Cache 块替换策略

LRU

Cache 写命中策略

写直达

写回

写分配

写不分配

虚拟索引虚拟标记（VIVT）

优点：不需要每次访存的时候把虚拟地址经过 MMU 转换为物理地址缩短了访存关键路径，提升了频率，提升了 Cache 访问速度

缺点：即使 Cache 命中，也需要访问并更新 TLB（两者可以并行）进程切换需要冲刷 Cache，或者增加 PID（进程 ID）位歧义问题（ambiguity）别名问题（alias）

歧义问题：相同的虚拟地址映射到不同的物理地址假设 A 进程的虚拟地址 0x4000 映射物理地址 0x2000，B 进程的虚拟地址 0x4000 映射物理地址 0x3000。A 进程切换到 B 进程，导致 0x4000 地址访问命中，而对应的是物理地址 0x2000 中的数据，从而出现错误解决方案：冲刷（flush）Cache（使用专门的 Cache 指令，例如 MIPS 中的 Cache），保证切换后的进程不会错误的命中上一个进程的缓存数据

别名问题：不同的虚拟地址映射到相同的物理地址，例如进程间通信假设虚拟地址 0x2000 和 0x4000 都映射到相同的物理地址 0x3000，其中虚拟地址中的[15…4]位作为 index，此时同一物理地址数据被加载到不同的 Cache Line，容易破坏数据一致性。

物理索引物理标记

从虚拟地址中抽取 index 查找 Cache，从物理地址中抽取 tag 进行比较 Cache 的查找和物理地址的转换同时进行，性能优于 PIPT 不存在歧义问题，但依然存在别名问题。

VIPT 中的别名问题

直接映射：当 Cache 容量不大于页大小时，将不会产生别名问题组相联：当 Cache 中一路的容量不大于页大小时，将不会产生别名问题此时，index 位于页偏移之中，虚拟地址和物理地址对应的 index 相同 VIPT 相当于 PIPT

解决方案 1：提高相联度，将索引 index 控制在 page offset 字段范围之内解决方案 2：使用大页，将索引 index 控制在 page offset 字段范围之内解决方案 3：调整虚实映射，避免相同物理地址数据加载到不同 Cache 行对于直接相联，在建立共享映射的时候，虚拟地址都是按照 Cache 大小对齐对于组相联，在建立共享映射的时候，虚拟地址都是按照一路 Cache 大小对齐解决方案 4：但满足不了将索引 VA 的 index 控制在 page offset 字段范围之内时，需要操作系统提供支持，即 Page Color 功能。

MIPS指令类型