为什么 lw 指令的第二个参数同时包含偏移量和 regSource？答案

【问题标题】：Why does the lw instruction's second argument take in both an offset and regSource?为什么 lw 指令的第二个参数同时包含偏移量和 regSource？
【发布时间】：2020-06-01 23:44:41
【问题描述】：

所以 lw 指令的格式如下：lw RegDest, Offset(RegSource)。为什么第二个参数同时包含偏移量和寄存器源？为什么不是只有一个（即只注册源）？

【问题讨论】：

标签： assembly mips cpu-architecture

【解决方案1】：

因为你还打算用剩下的 32 位指令字做什么？（假设您是设计 MIPS 指令集的 CPU 架构师）。

它允许 LUI + LW 在 2 条指令中从任意 32 位地址加载，而不是 3 条。对于循环展开或结构指针-> 成员访问，避免指针数学的 ADDIU 指令。即在 LW/SW 上花费这么多的编码空间可以让 MIPS 程序更有效率。 有时你只需要0($reg)，但有时它会浪费指令来计算最终地址一个寄存器。

省略 16 位立即位移不能使指令更短。 MIPS 是具有固定长度指令字的 RISC。（它可能是 R 类型而不是 I 类型，但在那种格式中你仍然有未使用的位。经典 MIPS 有很多未使用的编码空间，并且在 LW/SW、LB/LBU/SB 和等等，值得。）

MIPS 没有很多不同的操作码（尤其是没有任何 FPU 指令且没有 64 位指令的经典 MIPS）。它使用大量指令编码空间来支持大多数指令的立即数形式，具有很大的立即数。（例如，与 ARM32 不同，它在每条指令中使用 4 位进行谓词执行，而更多位用于“灵活”源操作数（可选旋转或移位一个常数或另一个寄存器，或立即数）。但 ARM 立即数编码为 8带有旋转的位，允许许多在现实生活中常见的有用位模式。）

MIPS 只有一种寻址模式，imm16(reg) 可以节省大量的 addiu 指令，而不是 (reg)。

例如，考虑一个加载或存储到静态（或全局）变量的 C 函数。喜欢

unsigned rng(void) {
    static unsigned seed = 1234;
    return (seed = seed * 5678 + 0x1234);
}

编译器生成（或手写）的 asm 需要从 seed 加载和存储，因此您需要将它放在寄存器中。但它是一个 32 位常量，不适合单条指令。在手写 asm 中，您可能会使用像 la $t0, rng.seed 这样的伪指令，它将组装成 lui $t0, hi(rng.seed) / ori $t0, $t0, lo(rng.seed)。（hi 和 lo 得到 32 位地址的一半）。

但你可以做得更好：

lui   $t0, hi(rng.seed)
lw    $t1, lo(rng.seed) ($t0)

即使用地址的低 16 位作为加载指令中的 16 位位移。这其实是compilers like gcc do：

rng:    # gcc5.4 -O3
    lui     $5,%hi(seed.1482)
    lw      $4,%lo(seed.1482)($5)
    nop                       ; classic MIPS has a 1-cycle "shadow" for loads before the result is usable, with no pipeline interlock
    sll     $3,$4,5          ; I should have picked a simpler multiply constant (with fewer bits set)
    sll     $2,$4,3
    subu    $2,$3,$2
    sll     $3,$2,3
    subu    $2,$3,$2
    subu    $2,$2,$4
    sll     $3,$2,4
    addu    $2,$2,$3
    sll     $2,$2,1
    addiu   $2,$2,4660
    j       $31
    sw      $2,%lo(seed.1482)($5)       ; branch-delay slot

seed.1482:
    .word   1234

寄存器中小的立即位移还有很多其他用途。例如：

如果编译器溢出任何内容，则访问堆栈上的局部变量
struct 字段
展开循环中的数组访问。（MIPS 有 32 个整数寄存器，并且非常适合软件流水线来展开循环）。
小型编译时常量数组索引。

正如我所说，对于非常适合 MIPS 的额外 16 位指令字，您无能为力。您可以为置换保留少于 16 位，但 MIPS 不是 PowerPC（其中有很多很多操作码）。

【讨论】：