在MIPS中，何时使用有符号扩展（signed-extend），何时使用零扩展（zero-extend）？

Question

在MIPS中，何时使用有符号扩展（signed-extend），何时使用零扩展（zero-extend）？

assemblymipssystem-verilogimmediate-operandzero-extension

5

我正在设计一个MIPS处理器作为我的个人项目，目前我遇到了一个非常困惑的问题。我就是无法总结出在MIPS中何时使用符号扩展（signed-extend）和何时使用零扩展（zero-extend）。

我已经搜索了很多资源，大部分都说：

1) ADDI, ADDIU 都使用符号扩展。
2) ANDI, ORI, XORI 都使用零扩展。

然而，在以下这两个指令中，我开始感到困惑：

SLTIU/SLTI

在Imagination的《MIPS Architecture for Programmers Volume II-A: The MIPS instruction set Manual》第368页上写着：

它清楚地说明了16位立即数是符号扩展的。但我不理解以下陈述：

[0, 32767] 或最大值[max_unsigned-32767, max_unsigned] 是无符号范围的末端。

还有一些人说16位立即数是零扩展的，就像这样：

http://www.cs.umd.edu/class/sum2003/cmsc311/Notes/Mips/pseudojump.html

好的，有人能解释一下在MIPS中有符号指令和无符号指令之间的确切区别吗？

- Shuaiyu Jiang

希望一些专家能够全面总结哪些指令使用有符号扩展，哪些指令使用零扩展。 - Shuaiyu Jiang

2个回答

1

文档暗示该指令首先进行16位立即数符号扩展，然后执行32位无符号比较。在Verilog中应该如下表述：

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

- Guy

谢谢你的回答，Guy。让我困惑的是，当你比较两个二进制数时，无论你是将它们视为有符号还是无符号，结果都应该是相同的。例如4'b1011、4'b1001。当你将它们视为无符号时，11 >> 9；当你将它们视为有符号时，-5 >> -7。那么，有什么必要对立即数进行符号扩展呢？SLTI和SLTIU都得到了相同的结果，即第一个值大于第二个值。 - Shuaiyu Jiang

@ShuaiyuJiang：第二个实现中符号扩展立即数的重点在于能够比较有符号值（这也包括正数与负数的比较）。在Imagination的实现中，符号扩展会给您提供不同的范围：32767个最小和32767个最大的无符号值，而不仅仅是0到65535。 - Ari

在你的例子中，两个项目的大小是相同的，但这个指令是在比较一个32位的数量和一个16位的数量。如果你将你的例子看作是8'b00001011和4'b1001，那么答案就不同了。8'h0B > 8'h09，但8'h0B < 8'hF9。 - Guy

@Ari，首先感谢您的回答。让我这样问问题：手册上说SLTIU使用有符号扩展，然而SLTI也使用了有符号扩展（这是SLTI描述的副本：将GPR rs和16位有符号立即数作为有符号整数进行比较；在GPR rt中记录比较的布尔结果。如果GPR rs小于立即数，则结果为1（真）；否则为0（假）。）由于这两个指令都使用了有符号扩展，那么这两个指令的区别是什么？希望这样说得清楚些:( - Shuaiyu Jiang

@ShuaiyuJiang：我认为SLTIU中的U很令人困惑。在SLTI和SLTIU中，立即值都是符号扩展的，但意图不同。在SLTIU中，被比较的两个数字被强制为无符号（通过添加33位0）。因此，立即数的符号扩展只是启用了不同范围的比较（它并不是为了进行有符号比较而执行的，这可能会让人感到困惑）。然而，在SLTI中，立即数的符号扩展是为了比较负值和正值（有符号比较）而执行的，目的不同。 - Ari

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- Ari · Accepted Answer

我不确定你展示的两个描述是否完全一样，它们似乎是不同的实现。

想象公司MIPS的实现如下（使用SystemVerilog语法，假设通用寄存器为32位）：

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

注意这是一个33位比较，其中第33位为0，因此是无符号比较。同时，请注意：

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

这意味着 immediate 首先被视为有符号数，即一个 15 位的值，第 16 位是符号位。因此：

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

另一方面，如果 immediate 是一个负数，我们将会有：

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

32'hFFFFFFFF被称为max_unsigned。

简单来说，这个指令使你能够在GPR [rs]和一个无符号数字（范围为[0,32767]或[32'hFFFFFFFF-32767, 32'hFFFFFFFF]）之间执行无符号比较。

第二种实现是在GPR [rs]和[0,65535]之间进行无符号比较。

编辑：

请注意，在SLTI和SLTIU中，立即值被符号扩展，但意图不同。在SLTIU中，将被比较的两个数字强制转换为无符号（通过添加第33位）。因此，立即数的符号扩展使得可以进行不同范围的比较：最小的32767个和最大的32767个无符号值，而不仅仅是0到65535。符号扩展并非出于用于签名比较的目的，这可能会让人感到困惑。

然而，在SLTI中，立即数的符号扩展是为了不同的目的：比较负数和正数（有符号比较）。