在 MIPS 中，什么时候使用有符号扩展，什么时候使用零扩展？

Question

我正在设计一个 MIPS 处理器作为我的个人项目，现在我遇到了一个非常困惑的问题。我无法总结何时在 MIPS 中使用符号扩展以及何时使用零扩展。

我搜索了很多资源，主要是说：

1) ADDI, ADDIU 都使用signed-extend.
2) ANDI、ORI、XORI都使用零扩展。

然而，在这两条指令中，我开始感到困惑：

SLTIU/SLTI

Imagination 的 "MIPS Architecture for Programmers Volume II-A: The MIPS instruction set Manual" 第 368 页说：

它明确提到16位立即数是有符号的-extend.But我不明白下面的说法：

[0, 32767] 或最大 [max_unsigned-32767, max_unsigned] 无符号范围的结尾。

还有一些人说16位立即数是零扩展的，像这样：

那么，有人可以解释一下 MIPS 中有符号指令和无符号指令之间的确切区别吗？

Answer 1

文档暗示该指令首先对 16 位立即数进行符号扩展，然后执行 32 位无符号比较。在 verilog 中，这应该等于：

if (gpr[rs] < { {16{imm[15]}}, imm })
  gpr[rt] = 1;
else
  gpr[rt] = 0;

Answer 2

我不确定您显示的两个描述的行为是否完全相同。它们似乎是不同的实现。

Imagination 的 MIPS 在其文档中的实现如下（在 SystemVerilog 语法中，假设 GPR 寄存器为 32 位）：

if ({1'b0 , GPR[rs]} < {1'b0 , sign_extend(immediate)} 
   GPR[rd] = 32'h00000001;
else
   GPR[rd] = 32'h00000000;

请注意，这是一个 33 位比较，其中第 33 位为 0，因此是一个无符号比较。

另外，请注意：

sign_extend(immediate) returns: { {16{immediate[15]}}, immediate }

这意味着立即数首先被视为有符号数，即15位值，第16位是符号。因此：

If immediate >=0, then sign_extend(immediate) is in [0,32767].

另一方面，如果立即数是负数，我们将有：

sign_extend(immediate)  = { {16{1'b1}}, 1'b1, immediate[15:0] }, which is in [32'hFFFFFFFF-32767, 32'hFFFFFFFF]

其中 32'hFFFFFFFF 被称为 max_unsigned。

基本上，这条指令使您能够在 GPR[rs] 和 [0,32767] 或 [32'hFFFFFFFF-32767, 32] 中的 unsigned 数字之间执行无符号比较'hFFFFFFFF].

第二个实现在 GPR[rs] 和 [0,65535] 之间执行无符号比较。

编辑：

请注意，在 SLTI 和 SLTIU 中，立即数是符号扩展的，但意图不同。在 SLTIU 中，被比较的两个数字被强制取消（通过添加第 33 位）。因此，立即数的符号扩展启用了不同的比较范围：最小的 32767 个和最大的 32767 个无符号值，而不是仅仅 0 到 65535。符号扩展不是为了符号比较而进行的，因为人们可能会混淆。

然而，在 SLTI 中，立即数的符号扩展用于不同的目的：将负值与正值进行比较（带符号比较）。

在 MIPS 中，什么时候使用有符号扩展，什么时候使用零扩展？

In MIPS, when to use a signed-extend, when to use a zero-extend?

assembly

mips

system-verilog

immediate-operand

zero-extension