MIPS 体系结构和汇编语言快速入门.docx

1、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：Sonic Fu, Northeastern University, 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2 byte= 16bi

2、t), 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（4 Byte）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 = move from Hi, mflo = Move from Low.） 堆栈（S

3、tack）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0Zero第0号寄存器，其值始终为01$at(Assembler Temporary) 是Assembler保留的寄存器2 3$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) Caller saved if needed. Subroutines can use without saving.供汇编程序使用的临时寄存器。

4、在子函数调用的过程中不会被保留。16-23$s0 - $s7(saved values) - Callee saved.A subroutine using one of these must save original and restore it before exiting. 在子函数调用的过程中会被保留。24-25$t8 - $t9(temporaries) Caller saved if needed. Subroutines can use without saving.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

5、- $k1保留，仅供中断(interrupt/trap)处理函数使用.28$gpglobalpointer.全局指针。Points to the middle of the 64K block of memory in the static data segment.指向固态数据块内存的64K的块的中间。29$spstackpointer堆栈指针， 指向堆栈的栈顶。30$s8/$fpsaved value /framepointer保存的值/帧指针其中的值在函数调用的过程中会被保留31$rareturnaddress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

6、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exit system call，参见后文有关system call 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：# Comment giving name of pro

7、gram and description of function# Template.s# Bare-bones outline of MIPS assembly language program.data # variable declarations follow this line # .text # instructions follow this line main: # indicates start of code (first instruction to execute) # . # End of program, leave a blank line afterwards

8、to make SPIM happy编写MIPS汇编程序：Content：PartI: 数据的声明Part II： 数据的装载和保存（Load/Store 指令）Part III： 寻址Part IV： 算术运算指令：Arithmetic InstructionsPart V 程序控制指令：Control InstructionsPart VI: 系统调用和I/O操作（SPIM仿真）PartI:数据的声明 格式：name: storage_type value(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ex

9、ample var1: .word 3 # create a single integer: #variable with initial value 3array1: .byte a,b # create a 2-element character # array with elements initialized: # to a and barray2: .space 40 # allocate 40 consecutive bytes, # with storage uninitialized # could be used as a 40-element # character arr

10、ay, or a # 10-element integer array; # a comment should indicate it.string1 .asciiz Print this.n #declare a stringPart II：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:lw register_destination, RAM_source # copy word (4 bytes) at # source_RAM location #

11、 to destination register. # load word - lwlb register_destination, RAM_source # copy byte at source RAM # location to low-order byte of # destination register, # and sign -e.g. tend to # higher-order bytes # load byte - lb li register_destination, value #load immediate value into #destination regist

12、er #load immediate - li ii. store指令sw register_source, RAM_destination #store word in source register # into RAM destinationsb register_source, RAM_destination #store byte (low-order) in #source register into RAM #destination举个例子：.datavar1: .word 23 # declare storage for var1; #initial value is 23.t

13、ext_start:lw $t0, var1 # load contents of RAM location # into register $t0: # $t0 = var1li $t1, 5 # $t1 = 5 (load immediate)sw $t1, var1 # store contents of register $t1 # into RAM: var1 = $t1 donedonePart III：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：load address，相当于直接寻址，把数据地址直接载入寄存器。 间接

14、寻址：indirect addressing，间接寻址，把寄存器内容作为地址基线寻址/索引寻址：based or indexed addressing，相对寻址，利用补偿值(offset)寻址。 直接寻址/装载地址：load address: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：indirect addressing: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

15、线寻址/索引寻址：based or indexed addressing: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) # offset can be negative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.dataarray1:

16、 .space 12 # declare 12 bytes of storage # to hold array of 3 integers.text_start: la $t0, array1 # load base address of array # into register $t0li $t1, 5 # $t1 = 5 (load immediate)sw $t1, ($t0) # first array element set to 5; # indirect addressingli $t1, 13 # $t1 = 13sw $t1, 4($t0) # second array

17、element set to 13li $t1, -7 # $t1 = -7sw $t1, 8($t0) # third array element set to -7donePart IV 算术运算指令：Arithmetic Instructions 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; add as signed # (2s complement) integerssub $t2,$t3,$t4 # $t2 = $t3 $t4addi $t2,

18、$t3, 5 # $t2 = $t3 + 5; add immediate # (no sub immediate)addu $t1,$t6,$t7 # $t1 = $t6 + $t7; addu $t1,$t6,5 # $t1 = $t6 + 5; # add as unsigned integerssubu $t1,$t6,$t7 # $t1 = $t6 - $t7; subu $t1,$t6,5 # $t1 = $t6 - 5 # subtract as unsigned integersmult $t3,$t4 # multiply 32-bit quantities in $t3 #

19、 and $t4, and store 64-bit # result in special registers Lo # and Hi: (Hi,Lo) = $t3 * $t4div $t5,$t6 # Lo = $t5 / $t6 (integer quotient) # Hi = $t5 mod $t6 (remainder)mfhi $t0 # move quantity in special register Hi # to $t0: $t0 = Himflo $t1 # move quantity in special register Lo # to $t1: $t1 = Lo,

20、 used to get at # result of product or quotientmove $t2,$t3 # $t2 = $t3Part V 程序控制指令：Control Instructions 1. 分支指令（Branches） 条件分支的比较机制已经内建在指令中b target # unconditional branch to program label targetbeq $t0,$t1,target # branch to target if $t0 = $t1blt $t0,$t1,target # branch to target if $t0 $t1ble $t

21、0,$t1,target # branch to target if $t0 $t1bge $t0,$t1,target # branch to target if $t0 = $t1bne $t0,$t1,target # branch to target if $t0 $t1beqz $t0, lab # Branch to lab if $t0 = 0.bnez $t0, lab # Branch to lab if $t0 != 0.bgez $t0, lab # Branch to lab if $t0 = 0.bgtz $t0, lab # Branch to lab if $t0

22、 0.blez $t0, lab # Branch to lab if $t0 = 0.bltz $t0, lab # Branch to lab if $t0 = 0, then put the address of the next #instruction into $ra and branch to lab.bgtzal $t0, lab #If $t0 0, then put the address of the next #instruction into $ra and branch to lab.bltzal $t0, lab #If $t0 0, then put the a

23、ddress of the next #instruction into $ra and branch to lab. 2. 跳转指令(Jumps)j target # unconditional jump to program label targetjr $t3 #jump to address contained in $t3 (jump register) 3. 子程序调用指令 子程序调用指令的实质是跳转并链接（Jump and Link）, 它把当前程序计数器的值保留到$ra中，以备跳回）：跳转到子程序：jal sub_label # jump and link, preserve

24、pc to $rasub_label为子程序的标签，如 LOOP， SUB_ROUTINE从子程序返回：jr $ra # jump register jump as the value of $ra返回到$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。Part VI: 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

25、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$v0 and $a0-$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：ServiceCode in $v0ArgumentsResultsprint_int1print_float2print_double3print_string4read_int5integer returned in $v0read_float6float returned in $v0read_double7double returned in $v0read_string8$a0 = memory ad

26、dress of string input buffer$a1 = length of string buffer (n)sbrk9$a0 = amountaddress in $v0exit10The print_string service expects the address to start a null-terminated character string. The directive .asciiz creates a null-terminated character string.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

27、终止符串。The read_int, read_float and read_double services read an entire line of input up to and including the newline character.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。The read_string service has the same semantices as the UNIX library routine fgets.It reads up to n-1 characters into a buffer and terminates t

28、he string with a null character.If fewer than n-1 characters are in the current line, it reads up to and including the newline and terminates the string with a null character.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。The sbrk service returns the address to a

29、block of memory containing n additional bytes. This would be used for dynamic memory allocation. 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. Print out integer value contained in register $t2例：打印在$t2中的整数的值li $v0, 1 # load appropriate system call # code into register $v0; #code for printing integer is 1move $a0, $t2 # move integer to be printed # into $a0: $a0 = $t2syscall # call operating system to # perform operation#e.g. Read integer value, store in RAM location with label # int_value (presumably declared in data section)l