MIPS 体系结构汇编语言快速入门（翻译）

MIPS 体系结构和汇编语言快速入门（翻译）

译者：Sonic Fu, Northeastern University, Boston, USA

译者按：学习笔记，抛砖引玉！网上有一个版本，不全，这个作为补充。

英文原版：  http://logos.cs.uic.edu/366/notes/mips quick tutorial.htm#IOSystemCalls

本文分3部分： 0、引子，  1、寄存器介绍 2、I/O介绍

引子：数据类型和文法

数据类型： 字节,byte占用( 8bit ),  halfword占2 byte= 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（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（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 寄存器描述

0 Zero 第0号寄存器，其值始终为0

1 $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。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 - $k1 保留，仅供中断(interrupt/trap)处理函数使用.

28 $gp global pointer. 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 $sp stack pointer 堆栈指针， 指向堆栈的栈顶。

30 $s8/$fp saved value / frame pointer保存的值/帧指针

Preserved across procedure calls其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。程序文件应该以.s结尾，以在Spim软件中进行模拟。

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

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 program 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 to make SPIM happy

开始编写MIPS汇编程序：

Content：

数据的声明

程序代码的编写

Part I： 数据的装载和保存（Load/Store 指令）

Part II： 寻址 ：只能用load/store 相关指令来实现寻址操作

Part III： 算术相关的指令：Arithmetic Instructions

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

#example：

#-------------------------------------------------------------------------------------

var1: .word 3 # create a single integer: 

#variable with initial value 3

array1: .byte 'a','b' # create a 2-element character 

# array with elements initialized:

# to  a  and  b

array2: .space 40 # allocate 40 consecutive bytes, 

# with storage uninitialized

# could be used as a 40-element

# character array, or a

# 10-element integer array;

# a comment should indicate it.

string1 .asciiz "Print this.n" #declare a string

#-------------------------------------------------------------------------------------

程序代码的编写：

Part I：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 

# to destination register.

# load word -> lw

lb 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 register

#load immediate --> li

    ii. store指令：

sw register_source, RAM_destination

#store word in source register

# into RAM destination

sb register_source, RAM_destination

#store byte (low-order) in 

#source register into RAM 

#destination

    举个例子：

#-------------------------------------------------------------------------------------

.data

var1: .word 23 # declare storage for var1; 

#initial value is 23

.text

__start:

lw $t0, var1 # load contents of RAM location

# into register $t0:  

# $t0 = var1

li $t1, 5 # $t1 = 5   ("load immediate")

sw $t1, var1 # store contents of register $t1 

# into RAM:  var1 = $t1 done

done

#-------------------------------------------------------------------------------------

Part II：寻址 ：（ 只能用load/store 相关指令来实现寻址操作）

    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)

store word in register $t2 into RAM at address ($t0 - 12)，negative offsets are fine

Note: based addressing is especially useful for:

arrays; access elements as offset from base address

stacks; easy to access elements at offset from stack pointer or frame pointer

此次是负的偏移量。

注意：基线寻址在一下场合特别有用：

1、数组：从基址出发寻找数组元素，通过使用偏移量。

2、堆栈：利用从堆栈指针到框架指针之间的偏移量来读写元素。

    举个例子：

#-------------------------------------------------------------------------------------

#example

.data

array1: .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 $t0

li $t1, 5 #  $t1 = 5   ("load immediate")

sw $t1, ($t0) #  first array element set to 5;

# indirect addressing

li $t1, 13 #   $t1 = 13

sw $t1, 4($t0) # second array element set to 13

li $t1, -7 #   $t1 = -7

sw $t1, 8($t0) #  third array element set to -7

done

#-------------------------------------------------------------------------------------

Part III 算术相关的指令：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 

# (2's complement) integers

sub $t2,$t3,$t4 #  $t2 = $t3 Ð $t4

addi $t2,$t3, 5 #  $t2 = $t3 + 5;   "add immediate" 

# (no sub immediate)

addu $t1,$t6,$t7 #  $t1 = $t6 + $t7;   

#  add as unsigned integers

subu $t1,$t6,$t7 #  $t1 = $t6 + $t7;   

#  subtract as unsigned integers

mult $t3,$t4 #  multiply 32-bit quantities in $t3

#  and $t4, and store 64-bit

#  result in special registers Lo 

#  and Hi:  (Hi,Lo) = $t3 * $t4

div $t5,$t6 #  Lo = $t5 / $t6   (integer quotient)

#  Hi = $t5 mod $t6   (remainder)

mfhi $t0 #  move quantity in special register Hi

#  to $t0:   $t0 = Hi

mflo $t1 #  move quantity in special register Lo

#  to $t1:   $t1 = Lo,  used to get at

#  result of product or quotient

move $t2,$t3 #  $t2 = $t3

# ----------------------------------（To becontinued）---------------------------------------------------