在MIPS中，何时使用signed-extend，何时使用零扩展？

Question

我正在设计一个MIPS处理器作为我的个人项目，到现在我遇到了一个非常混乱的问题。我只是不能总结何时使用signed-extend以及何时在MIPS中使用零扩展。

我搜索过很多资源，大多说：

1）ADDI，ADDIU都使用signed-extend。 2）ADDI，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

在Imagination的“面向程序员的MIPS架构第二卷-A：MIPS指令集手册”第368页中说：

它明确提到16位立即签名扩展。但我不明白以下声明：

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

和其他一些人说16位立即数是零延伸，如下所示：

那么，有人可以解释MIPS中签名指令和无符号指令之间究竟有什么区别吗？

非常感谢你！

Answer 1

我不确定您展示的两个描述是否完全相同。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，因此是无符号比较。

另外，请注意：

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

这意味着立即首先将立即数视为有符号数，即15位值，第16位为符号。因此：

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

另一方面，如果立即数为负数，我们将：

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

其中32＆＃39; hFFFFFFFF称为max_unsigned。

基本上，该指令使您能够在[0,32767]或[32＆＃39; hFFFFFFFF-32767,32＆＃39;中执行GPR [rs]和无符号数字之间的无符号比较。 HFFFFFFFF]。

第二种实现在GPR [rs]和[0,65535]之间执行无符号比较。

修改

请注意，在SLTI和SLTIU中，立即值是符号扩展但具有不同的意图。在SLTIU中，被比较的两个数字被强制取消（通过添加第33位）。因此立即符号扩展启用了不同的比较范围：32767最小和32767最大无符号值，而不是0到65535.符号扩展不是为了签名比较的目的，因为可能会混淆。

然而，在SLTI中，立即符号扩展的目的不同：将负值与正值进行比较（带符号的比较）。

Answer 2

文档暗示指令首先对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，这应该是：

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