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