MIPS 体系结构和汇编语言快速入门.docx
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MIPS体系结构和汇编语言快速入门
MIPS体系结构和汇编语言快速入门
译者：
SonicFu,NortheasternUniversity,Boston,MA,USA
译者按：
有修改，无删减，初学必读。
学习笔记，抛砖引玉！
网上有一个老版本，不如此版全面。
英文原版：
http:
//logos.cs.uic.edu/366/notes/mips%20quick%20tutorial.htm#IOSystemCalls
本文分3部分：
1、寄存器2、程序结构框架3、编写汇编程序
概要：
数据类型和文法
¡数据类型：
字节,byte占用（8bit）,halfword占2byte=16bit）,word占用（4byte=32bit）
¡一个字符需要一个Byte的空间；
¡一个整数需要1个Word（4Byte）的空间；
¡MIPS结构的每条指令长度都是32bit
寄存器
¡MIPS体系架构有32个通用寄存器。
在汇编程序中，可以用编号$0到$31来表示；
¡也可以用寄存器的名字来进行表示，例如：
$sp,$t1,$ra….
¡有两个特殊的寄存器Lo,Hi,用来保存乘法/除法的运算结果；此2寄存器不能直接寻址，只能用特殊的指令：
mfhi和mflo来aceess其中的内容。
（含义：
mfhi=movefromHi,mflo=MovefromLow.）
¡堆栈（Stack）的增长方向是:
从内存的高地址方向,向低地址方向；
表格1：
寄存器的编号名称及分类
编号
寄存器名称
寄存器描述
0
Zero
第0号寄存器，其值始终为0
1
$at
（AssemblerTemporary）是Assembler保留的寄存器
2~3
$v0~$v1
（values）保存表达式或函数返回的结果
4-7
$a0-$a3
（arguments）作为函数的前四个入参。
在子函数调用的过程中不会被保留。
8-15
$t0-$t7
（temporaries）Callersavedifneeded.Subroutinescanusewithoutsaving.供汇编程序使用的临时寄存器。
在子函数调用的过程中不会被保留。
16-23
$s0-$s7
（savedvalues）-Calleesaved.
Asubroutineusingoneofthesemustsaveoriginalandrestoreitbeforeexiting.在子函数调用的过程中会被保留。
24-25
$t8-$t9
（temporaries）Callersavedifneeded.Subroutinescanusewithoutsaving.供汇编程序使用的临时寄存器。
在子函数调用的过程中不会被保留。
这是对$t0-$t7的补充。
26-27
$k0-$k1
保留，仅供中断（interrupt/trap）处理函数使用.
28
$gp
global pointer. 全局指针。
Pointstothemiddleofthe64Kblockofmemoryinthestaticdatasegment.指向固态数据块内存的64K的块的中间。
29
$sp
stack pointer 堆栈指针，指向堆栈的栈顶。
30
$s8/$fp
savedvalue/ frame pointer保存的值/帧指针
其中的值在函数调用的过程中会被保留
31
$ra
return address返回地址
汇编程序结构框架
汇编源程序代码本质上是文本文件。
由数据声明、代码段两部分组成。
汇编程序文件应该以.s为后缀，以在Spim软件中进行模拟。
（实际上ASM也行。
）
数据声明部分
在源代码中，数据声明部分以.data开始。
声明了在代码中使用的变量的名字。
同时，也在主存（RAM）中创建了对应的空间。
程序代码部分
在源代码中，程序代码部分以.text开始。
这部分包含了由指令构成的程序功能代码。
代码以main:
函数开始。
main的结束点应该调用exitsystemcall，参见后文有关systemcall的介绍。
程序的注释部分
使用#符号进行注释。
每行以#引导的部分都被视作注释。
一个MIPS汇编程序框架：
#Commentgivingnameofprogramanddescriptionoffunction
#Template.s
#Bare-bonesoutlineofMIPSassemblylanguageprogram
.data#variabledeclarationsfollowthisline
#...
.text#instructionsfollowthisline
main:
#indicatesstartofcode（firstinstructiontoexecute）
#...
#Endofprogram,leaveablanklineafterwardstomakeSPIMhappy
编写MIPS汇编程序：
Content：
PartI:
数据的声明
PartII：
数据的装载和保存（Load/Store指令）
PartIII：
寻址
PartIV：
算术运算指令：
ArithmeticInstructions
PartV程序控制指令：
ControlInstructions
PartVI:
系统调用和I/O操作（SPIM仿真）
PartI:
数据的声明
格式：
name:
storage_typevalue（s）
创建一个以name为变量名称，values通常为初始值，storage_type代表存储类型。
注意：
变量名后要跟一个:
冒号
example
var1:
.word3#createasingleinteger:
#variablewithinitialvalue3
array1:
.byte'a','b'#createa2-elementcharacter
#arraywithelementsinitialized:
#toaandb
array2:
.space40#allocate40consecutivebytes,
#withstorageuninitialized
#couldbeusedasa40-element
#characterarray,ora
#10-elementintegerarray;
#acommentshouldindicateit.
string1.asciiz"Printthis.\n"#declareastring
PartII：
数据的装载和保存（Load/Store指令）
¡主存（RAM）的存取access只能用load/store指令来完成。
¡所有其他的指令都使用的是寄存器作为操作数。
i.load指令:
lwregister_destination,RAM_source
#copyword（4bytes）at
#source_RAMlocation
#todestinationregister.
#loadword->lw
lbregister_destination,RAM_source
#copybyteatsourceRAM
#locationtolow-orderbyteof
#destinationregister,
#andsign-e.g.tendto
#higher-orderbytes
#loadbyte->lb
liregister_destination,value
#loadimmediatevalueinto
#destinationregister
#loadimmediate-->li
ii.store指令
swregister_source,RAM_destination
#storewordinsourceregister
#intoRAMdestination
sbregister_source,RAM_destination
#storebyte（low-order）in
#sourceregisterintoRAM
#destination
举个例子：
.data
var1:
.word23#declarestorageforvar1;
#initialvalueis23
.text
__start:
lw$t0,var1#loadcontentsofRAMlocation
#intoregister$t0:
#$t0=var1
li$t1,5#$t1=5（"loadimmediate"）
sw$t1,var1#storecontentsofregister$t1
#intoRAM:
var1=$t1done
done
PartIII：
寻址：
MIPS系统结构只能用load/store相关指令来实现寻址操作，包含3中寻址方式：
装载地址：
loadaddress，相当于直接寻址，把数据地址直接载入寄存器。
间接寻址：
indirectaddressing，间接寻址，把寄存器内容作为地址
基线寻址/索引寻址：
basedorindexedaddressing，相对寻址，利用补偿值（offset）寻址。
直接寻址/装载地址：
loadaddress:
la$t0,var1
把var1在主存（RAM）中的地址拷贝到寄存器t0中。
var1也可以是程序中定义的一个子程序标签的地址。
间接寻址：
indirectaddressing:
lw$t2,（$t0）
主存中有一个字的地址存在t0中，按这个地址找到那个字，把字拷贝到寄存器t2中。
sw$t2,（$t0）
把t2中的字存入t0中的地址指向的主存位置。
基线寻址/索引寻址：
basedorindexedaddressing:
lw$t2,4（$t0）
把t0中地址+4所得的地址所对应的主存中的字载入寄存器t2中，4为包含在t0中的地址的偏移量。
sw$t2,-12（$t0）#offsetcanbenegative
把t2中的内容存入t0中的地址-12所得的地址所对应的主存中，存入一个字，占用4字节，消耗4个内存号，可见，地址偏移量可以是负值。
注意：
基线寻址在以下场合特别有用：
1、数组：
从基址出发，通过使用偏移量，存取数组元素。
2、堆栈：
利用从堆栈指针或者框架指针的偏移量来存取元素。
举个例子：
#example
.data
array1:
.space12#declare12bytesofstorage
#toholdarrayof3integers
.text
__start:
la$t0,array1#loadbaseaddressofarray
#intoregister$t0
li$t1,5#$t1=5（"loadimmediate"）
sw$t1,（$t0）#firstarrayelementsetto5;
#indirectaddressing
li$t1,13#$t1=13
sw$t1,4（$t0）#secondarrayelementsetto13
li$t1,-7#$t1=-7
sw$t1,8（$t0）#thirdarrayelementsetto-7
done
PartIV算术运算指令：
ArithmeticInstructions
¡算数运算指令的所有操作数都是寄存器，不能直接使用RAM地址或间接寻址。
¡操作数的大小都为Word（4-Byte）
add$t0,$t1,$t2#$t0=$t1+$t2;addassigned
#（2'scomplement）integers
sub$t2,$t3,$t4#$t2=$t3Ð$t4
addi$t2,$t3,5#$t2=$t3+5;"addimmediate"
#（nosubimmediate）
addu$t1,$t6,$t7#$t1=$t6+$t7;
addu$t1,$t6,5#$t1=$t6+5;
#addasunsignedintegers
subu$t1,$t6,$t7#$t1=$t6-$t7;
subu$t1,$t6,5#$t1=$t6-5
#subtractasunsignedintegers
mult$t3,$t4#multiply32-bitquantitiesin$t3
#and$t4,andstore64-bit
#resultinspecialregistersLo
#andHi:
（Hi,Lo）=$t3*$t4
div$t5,$t6#Lo=$t5/$t6（integerquotient）
#Hi=$t5mod$t6（remainder）
mfhi$t0#movequantityinspecialregisterHi
#to$t0:
$t0=Hi
mflo$t1#movequantityinspecialregisterLo
#to$t1:
$t1=Lo,usedtogetat
#resultofproductorquotient
move$t2,$t3#$t2=$t3
PartV程序控制指令：
ControlInstructions
1.分支指令（Branches）
条件分支的比较机制已经内建在指令中
btarget#unconditionalbranchtoprogramlabeltarget
beq$t0,$t1,target#branchtotargetif$t0=$t1
blt$t0,$t1,target#branchtotargetif$t0<$t1
ble$t0,$t1,target#branchtotargetif$t0<=$t1
bgt$t0,$t1,target#branchtotargetif$t0>$t1
bge$t0,$t1,target#branchtotargetif$t0>=$t1
bne$t0,$t1,target#branchtotargetif$t0<>$t1
beqz$t0,lab#Branchtolabif$t0=0.
bnez$t0,lab#Branchtolabif$t0!
=0.
bgez$t0,lab#Branchtolabif$t0>=0.
bgtz$t0,lab#Branchtolabif$t0>0.
blez$t0,lab#Branchtolabif$t0<=0.
bltz$t0,lab#Branchtolabif$t0<0.
bgezal$t0,lab#If$t0>=0,thenputtheaddressofthenext
#instructioninto$raandbranchtolab.
bgtzal$t0,lab#If$t0>0,thenputtheaddressofthenext
#instructioninto$raandbranchtolab.
bltzal$t0,lab#If$t0<0,thenputtheaddressofthenext
#instructioninto$raandbranchtolab.
2.跳转指令（Jumps）
jtarget#unconditionaljumptoprogramlabeltarget
jr$t3#jumptoaddresscontainedin$t3（"jumpregister"）
3.子程序调用指令
子程序调用指令的实质是跳转并链接（JumpandLink）,它把当前程序计数器的值保留到$ra中，以备跳回）：
跳转到子程序：
jalsub_label#"jumpandlink",preservepcto$ra
sub_label为子程序的标签，如LOOP，SUB_ROUTINE
从子程序返回：
jr$ra#"jumpregister"jumpasthevalueof$ra
返回到$ra中储存的的返回地址对应的位置，$ra中的返回地址由jal指令保存。
注意，返回地址存放在$ra寄存器中。
如果子程序调用了下一级子程序，或者是递归调用，此时需要将返回地址保存在堆栈中，因为每执行一次jal指令就会覆盖$ra中的返回地址。
PartVI:
系统调用和I/O操作（SPIM仿真）
系统调用是指调用操作系统的特定子程序。
系统调用用来在仿真器的窗口中打印或者读入字符串string,并可显示程序是否结束。
用syscall指令进行对系统子程序的调用。
本操作首先支持$v0and$a0-$a1中的相对值
调用以后的返回值（如果存在）会保存在$v0中。
表二：
系统调用的功能：
Service
Codein$v0
Arguments
Results
print_int
1
print_float
2
print_double
3
print_string
4
read_int
5
integerreturnedin$v0
read_float
6
floatreturnedin$v0
read_double
7
doublereturnedin$v0
read_string
8
$a0=memoryaddressofstringinputbuffer
$a1=lengthofstringbuffer（n）
sbrk
9
$a0=amount
addressin$v0
exit
10
Theprint_stringserviceexpectstheaddresstostartanull-terminatedcharacterstring.Thedirective.asciizcreatesanull-terminatedcharacterstring.
打印字符串的功能认为起始地址为一个空终止符串。
声明字符串使用的.asciiz指示符会建立一个空终止符串。
Theread_int,read_floatandread_doubleservicesreadanentirelineofinputuptoandincludingthenewlinecharacter.
读入整形，读入浮点型和读入双精度的功能会读取一整行，包含换行符。
Theread_stringservicehasthesamesemanticesastheUNIXlibraryroutinefgets.
Itreadsupton-1charactersintoabufferandterminatesthestringwithanullcharacter.
Iffewerthann-1charactersareinthecurrentline,itreadsuptoandincludingthenewlineandterminatesthestringwithanullcharacter.
读入字符串的功能和UNIX库中fgets函数的语法相同。
他会读入n-1个字符到缓存，然后以空字符结尾。
如果少于n-1的字符，它会读到结尾并包含换行符，并以空字符结尾。
Thesbrkservicereturnstheaddresstoablockofmemorycontainingnadditionalbytes.Thiswouldbeusedfordynamicmemoryallocation.
sbrk功能返回一个包含有n个附加字节的存储区的地址，这回被用于动态内存分配。
exit功能用于停止程序运行。
e.g.Printoutintegervaluecontainedinregister$t2
例：
打印在$t2中的整数的值
li$v0,1#loadappropriatesystemcall
#codeintoregister$v0;
#codeforprintingintegeris1
move$a0,$t2#moveintegertobeprinted
#into$a0:
$a0=$t2
syscall#calloperatingsystemto
#performoperation
#e.g.Readintegervalue,storeinRAMlocationwithlabel
#int_value（presumablydeclaredindatasection）
l
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