实验 MIPS 指令系统和 MIPS 体系结构

一、实验目的

1. 了解和熟悉指令级模拟器。

2. 熟练掌握 MIPSsim 模拟器的操作和使用方法。

3. 熟悉 MIPS 指令系统及其特点，加深对 MIPS 指令操作语义的理解。

4. 熟悉 MIPS 体系结构。

二、实验平台

实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器 MIPSsim。

三、实验内容和步骤

首先要阅读 MIPSsim 模拟器的使用方法（见附录），然后了解 MIPSsim 的指令系统和汇编语言。

1. 启动 MIPSsim(用鼠标双击 MIPSsim 模拟器（64 位）．exe)。

2. 选择“配置”—>“流水方式”选项，使模拟器工作在非流水方式下。

3. 参照 MIPSsim 使用说明，熟悉 MIPSsim 模拟器的操作和使用方法。

4. 以 alltest.s 为例，分析汇编代码并填写excel 表（附件）

5. 载入样例程序 alltest.s(在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中),然后分别以单步执行一条指令、执行多条指令、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序执行情况，观察 CPU 中寄存器和存储器的内容的变化,验证分析是否正确

四、 回答以下问题：

模拟器中内存是小端存储还是大端存储，为什么？

答：小端存储。
以alltest.s中的【BUFFER:.word 300】为例。300 = 012C H，而在内存中可以发现，80H内存单元存储了2C，而81H内存单元存储了01，如下图所示。

即数据的低位优先存储在低地址中，符合小端存储的特性。而大端存储的特性是数据的高位优先存储在低地址中。
两种存储方式的存放顺序如下图所示： 图片来源：
第七课：大端存储和小端存储

模拟器中alltest 的代码AddIU $r8,$r0,Data 为什么编译为AddIU $r8,$r0,124 ? ADDIU $r8, $r0, BUFFER 编译为 ADDIU $r8, $r0, 128 ?

答：
DATA所存放的地址是0x0000 007C，7C H = 124。BUFFER所存放的地址是0x0000 0080，80H = 128。具体地址如下图所示： ADDIU指令为无符号立即值加的指令，功能是rt ← rs + immediate。但是由于DATA和BUFFER是汇编程序中的标签，而不是具体的数值，所以编译器会将标签解析为它们在数据段.data中的地址，即124和128。

图片来源：附录B：MIPS使用手册/附录B-MIPS64指令格式和功能

执行到后 LB $R1, 0($R8) R1 的值为什么是-128，而 LW $R1, 0($R8)时为 128？ LBU $r1, 0($r8)为 128？

答：
LB指令为取字节的指令，且按有符号数操作，功能是rt ← memory[base + offset]。在LB $r1,0($r8)中，将r8寄存器中1个字节的内容以有符号数的形式取到r1寄存器中，即1000 0000 B，是一个负数，因此r1的值是-128。
LW指令为取字的指令，且按有符号数操作，功能是rt ← memory[base + offset]。在LW $r1,0($r8)中，将r8寄存器中1个字的内容以有符号数的形式取到r1寄存器中，由于64位计算机中1个字是8个字节，即0000 …… 1000 0000 B（共64位），是一个正数，因此r1的值是128。
LBU指令为取无符号字节的指令，功能是rt ← memory[base + offset]。在LBU $r1,0($r8)中，将r8寄存器中1个字节的内容以无符号数的形式取到r1寄存器中，即1000 0000 B，是一个正数，因此r1的值是128。

无符号数 80H 对应的十进制数为（）A . 96 B . 80 C . -128 D . 128

答: 无符号数80H（十六进制）转换为十进制是128。因此，正确答案是D. 128。

五、补充

按照以上步骤运行并观察 branch.s 的模拟结果，对实验结果进行分析。

对branch.s的汇编代码分析已经附在excel表中。

六、实验注意

需要阅读附录A-MIPS64指令列表和附录B-MIPS64指令格式和功能，才能在完成实验时理解指令含义。
excel表部分截图

实验结束
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