MIPS汇编 – Bobo-Gir@ffe

1.概述简析

1.基于RISC的架构

RISC（Reduced Instruction Set Computer）架构是一种计算机处理器架构，其设计核心思想是简化指令集合，使得处理器能够更快地执行指令。RISC架构的设计理念主要包括以下几个方面：

精简指令集合：RISC架构尽量减少指令集合的大小，使得每个指令的执行时间都较短，从而提高了整体的指令执行速度。相比之下，复杂指令集合（CISC）架构包含更多复杂的指令，这些指令可能会占用更多的芯片空间，导致每个指令的执行时间较长
固定长度指令：RISC架构通常采用固定长度的指令格式，这样可以简化指令的解码和执行过程，提高了处理器的执行效率。相比之下，CISC架构中的指令长度可能会不同，需要更复杂的解码逻辑
使用寄存器：RISC架构通常会提供更多的寄存器，用于存储中间结果和临时数据，减少了访存操作的次数，从而提高了程序的执行效率
流水线技术：RISC架构通常会采用流水线技术，将指令执行过程划分为多个阶段，并同时执行多条指令，从而提高了处理器的吞吐量和性能
延迟槽：为了充分利用流水线技术，RISC架构中通常会采用延迟槽（Delay Slot）的设计，使得指令的执行顺序更加灵活，可以提高指令级并行度

2.相关结构的简析

指令集（Instruction Set）：
- MIPS指令集包括多种指令类型，如R型、I型和J型指令
- 每条指令由操作码（opcode）、寄存器标识符和立即数等字段组成
- MIPS指令集支持基本的算术运算、逻辑运算、数据传输、控制转移等操作
寄存器文件（Register File）：
- MIPS架构提供了32个通用寄存器（0 – 31），用于存储数据和中间计算结果
- 这些寄存器具有固定的功能，如zero用于存储常数0，ra用于存储返回地址等
数据存储器（Data Memory）：
- MIPS架构中的数据存储器用于存储程序的数据，包括变量、数组等
- 数据存储器通常是一个字节寻址的内存，可以存储各种数据类型
程序计数器（Program Counter，PC）：
- 程序计数器是一个特殊的寄存器，用于存储当前执行的指令的地址
- 在每条指令执行完毕后，PC会自动递增以指向下一条指令的地址，实现指令的顺序执行
指令存储器（Instruction Memory）：
- 指令存储器用于存储程序的指令序列，包括各种操作和控制指令
- MIPS程序从指令存储器中读取指令，并通过解码执行这些指令
控制单元（Control Unit）：
- 控制单元负责解析指令、控制数据通路和执行指令操作
- 它根据指令的操作码和操作数控制数据的传输和运算过程，以实现指令的功能

2.寄存器的种类

MIPS共有32个通用寄存器

寄存器标志由$符号开头

$zero（$0）：恒为0的寄存器。任何尝试向其写入的操作都会被忽略
$v0、$v1（$2、$3）：用于存放函数返回值的寄存器
$a0 - $a3（$4 - $7）：函数参数传递寄存器，用于传递函数参数给函数
$t0 - $t9（$8 - $15、$24 - $25）：临时寄存器，用于存储临时数据
$s0 - $s7（$16 - $23）：用于存储函数调用过程中需要保持不变的寄存器，也可用于存储局部变量
$k0、$k1（$26、$27）：内核寄存器，用于异常处理
$gp（$28）：全局指针，通常用于存储全局数据区的地址
$sp（$29）：栈指针，用于指向当前栈顶
$fp（$30）：帧指针，用于指向当前函数的栈帧
$ra（$31）：返回地址寄存器，存储函数返回时需要返回的地址

3.指令种类

1.R型指令

R型指令主要用于寄存器之间的操作，如算术运算、逻辑运算和移位操作

000000	Rs	Rt	Rd	shamt	funct
6bits	5bits	5bits	5bits	5bits	6bits

2.I型指令

I型指令主要用于寄存器和立即数之间的操作，如加载数据到寄存器、存储寄存器中的数据到内存

OP	Rs	Rt	立即数
6bits	5bits	5bits	16bits

3.J型指令

J型指令主要用于实现跳转操作，即改变程序计数器（PC）的值以实现非顺序执行的功能

OP	立即数
6bits	26bits

4.寻址方式

1.立即数寻址（I型指令）

1.即数寻址的概述：

立即数寻址是一种指令寻址方式，其中指令中包含了要操作的数据的常量或立即数

这种寻址方式常见于RISC架构中，其中指令的操作数之一是一个立即数，而不是一个内存地址或寄存器中的值

在立即数寻址中，指令中的立即数表示一个常量值，而不是一个地址或存储在内存中的数据。当处理器执行这样的指令时，它会直接使用指令中的立即数进行计算或操作，而不需要额外的内存访问

2.寻址的优点包括：

节省内存访问时间：由于立即数直接包含在指令中，因此不需要额外的内存访问来获取操作数，可以减少指令的执行时间
简化指令设计：立即数寻址使得指令格式更加简单，不需要指定内存地址或寄存器编号，简化了指令的解码和执行过程

3.寻址的限制和缺点：

立即数大小限制：由于立即数直接包含在指令中，因此其大小通常受到指令格式的限制，可能无法表示较大的常量值
限制了灵活性：立即数寻址只能用于常量值，不能动态地从内存中读取数据，因此在某些情况下可能会限制指令的灵活性和功能

2.寄存器寻址（R型地址）

000000	Rs	Rt	Rd	shamt	funct
6bits	$s1	$s2	$t0	00000	6bits

3.基址寻址（I型语言）

Rs 中存放基址寄存器，因为立即数只有16位，所以我们将其带符号拓展为32位，然后与基址相加，就可以得到目标数的地址
常见的基址寻址指令：lw, sw, lh, sh, lb, lbu等

4.相对寻址（I型指令）

将16位的立即数带符号拓展为32位后，将其左移两位（此时它的最低两位就是0），然后与PC寄存器地址相加，所得为目标值的地址
常见相对寻址指令有：beq，bne

5.伪直接寻址（J型指令）

对于26位的立即数直接左移两位，此时它为28位，而且它的最低两位为0
取PC的高四位地址做为目标地址的高四位，其余28位为得到的立即数，这个地址为目标值的地址

5.指令总览

类别	指令	例	含义	备注
算数	加	add s1,s2,$s3	s1 = s2 + $s3	三个操作数；检测溢出
算数	减	sub s1,s2,$s3	s1 = s2 – $s3	三个操作数；检测溢出
算数	加立即数	addi s1,s2,100	s1 = s2 + 100	加常数；检测溢出
算数	无符号加	addu s1,s2,$s3	s1 = s2 + $s3	三个操作数；不检测溢出
算数	无符号减	subu s1,s2,$s3	s1 = s2 – $s3	三个操作数；不检测溢出
算数	无符号加立即数	addiu s1,s2,100	s1 = s2 + 100	加常数；不检测溢出
算数	从协处理器寄存器中获得	mfc0 s1,epc	s1 = epc	复制异常PC到专用处理器
算数	乘	mult s2,s3	Hi，Lo = s2 × s3	64位有符号积存在Hi，Lo中
算数	无符号乘	multu s2,s3	Hi，Lo = s2 × s3	64位无符号积存在Hi，Lo中
算数	除	div s2,s3	Lo = s2 / s3；Hi = s2 mod s3	Lo = 商；Hi = 余数
算数	无符号除	div s2,s3	Lo = s2 / s3；Hi = s2 mod s3	无符号商和余数
算数	从Hi中获得	mfhi $s1	$s1 = Hi	用来获得Hi的副本
算数	从Lo中获得	mflo $s1	$s1 = Lo	用来获得Lo的副本
数据传输	取字	lw s1,20(s2)	s1 = Memory[s2 + 20]	将一个字从内存中取到寄存器中
数据传输	存字	sw s1,20(s2)	Memory[s2 + 20] = s1	将一个字从寄存器中取到内存中
数据传输	取无符号半字	lhu s1,20(s2)	s1 = Memory[s2 + 20]	将半字从内存中取到寄存器中
数据传输	存半字	sh s1,20(s2)	Memory[s2 + 20] = s1	将半字从寄存器中取到内存中
数据传输	取无符号字节	lbu s1,20(s2)	s1 = Memory[s2 + 20]	将一个字节从内存中取到寄存器中
数据传输	存字节	sb s1,20(s2)	Memory[s2 + 20] = s1	将一个字节从寄存器中取到内存中
数据传输	取链接字	ll s1,20(s2)	s1 = Memory[s2 + 20]	取字作为原子交换的前半部
数据传输	存条件字	sc s1,20(s2)	Memory[s2 + 20] = s1或$s1 = 0/1	存字作为原子交换的后半部
数据传输	立即数读入高16位	lui $s1,100	$s1 = 100 ×2^16	取立即数并放在高16位
逻辑运算	与	AND s1,s2,$s3	s1 = s2 & $s3	三个寄存器操作数按位与
逻辑运算	或	OR s1,s2,s3 \| s1 = s2 \| s3	三个寄存器操作数按位或
逻辑运算	或非	NOR s1,s2,s3 \| s1 = ~(s2 \| s3)	三个寄存器操作数按位或非
逻辑运算	与立即数	ANDi s1,s2,100	s1 = s2 & 100	和常数按位与
逻辑运算	或立即数	ORi s1,s2,100	s1 = s2 \| 100	和常数按位或
逻辑运算	逻辑左移	sll s1,s2,10	s1 = s2 << 10	根据常数左移相应位
逻辑运算	逻辑右移	srl s1,s2,10	s1 = s2 >> 10	根据常数右移相应位
条件跳转	相等时跳转	beq s1,s2,25	if(s1 == s2)跳至PC + 4 + 100	相等检测；和PC相关的跳转
条件跳转	不相等时跳转	bne s1,s2,25	if(s1 != s2)跳至PC + 4 + 100	不相等检测；和PC相关的跳转
条件跳转	小于时置位	slt s1,s2,$3	if(s2 < s3) $s1 = 1;否则等于0	比较是否小于；补码形式
条件跳转	小于立即数时置位	slti s1,s2,100	if(s2 < 100) s1 = 1;否则等于0	比较是否小于常数
条件跳转	无符号数比较小于时置位	sltu s1,s2,$3	if(s2 < s3) $s1 = 1;否则等于0	比较是否小于
条件跳转	无符号数比较小于立即数时置位	sltiu s1,s2,100	if(s2 < 100) s1 = 1;否则等于0	比较是否小于常数
无条件跳转	跳转	j 2500	跳至10000	跳转到目标地址
无条件跳转	跳转至寄存器所指地址	jr $ra	跳至$ra	用于switch语句，以及过程调用的返回
无条件跳转	跳转并链接	jal 2500	$ra = PC + 4; 跳至10000	用于过程调用

6.程序结构

数据声明+普通文本+程序编码
文件后缀为.s或.asm
数据声明在代码段之后

7.数据声明

数据段以.data为开始标志
声明变量后，即在主存中分配空间

8.代码结构

代码段以.text为开始标志
其实就是各项指令操作
程序入门为main:标志

9.基本模板

# Comment giving name of program and description of function
# 说明下程序的目的和作用（其实和高级语言都差不多了）
# Template.s
#Bare-bones outline of MIPS assembly language program


           .data       # variable declarations follow this line
　　　　                # 数据变量声明
                       # ...

           .text       # instructions follow this line  
               # 代码段部分                                                          
main:                  # indicates start of code (first instruction to execute)
                       # 主程序
                       # ...

# End of program, leave a blank line afterwards to make SPIM happy

注意多给一行