《计算机组成与设计：硬件软件接口》 MIPS 笔记

懒得整理了，将就看

# 简单的引例
# a = b + c
add		a, b, c
# a = b - c
sub     a, b, c
# f = (g + h) - (i + j)
add     t0, g, h
add     t1, i, j
sub     f, t0, t1

# MIPS 中寄存器为 32 位（5 位编码），MIPS 字的大小与寄存器大小相同
# MIPS 一般为 32 个寄存器
# $ 外加序号 0 ~ 31 表示一个寄存器，如：$0、$1、$3 ...。当然也有别名
# $1 = $2 + $3
add     $1, $2, $3

# 数据传送指令，访问存储器中的一个字，指令必须给出地址
# g = h + A[8]，假设 s3 寄存器存放了数组 A 起始地址（基址）
# 在存储器中取出 A[8] 的指放入寄存器
lw		$0, 8($s3)
# 数组 A 基址存放在寄存器 $1 中，将 $t0 寄存器的数据写入 A[8]
sw		$t0, 48($s1)
# 编译器会将常用的变量尽量保持在寄存器中
# 将不常用的变量存回到存储器的过程称寄存器溢出

# 立即数，避免使用取数指令，MIPS 将寄存器 $zero 恒置为 0
addi    $s3, $s3, 1 # $s3 = $s3 + 1
# MIPS 支持负立即数，无需设置立即数减法操作
lui     $s0, 61 # $s3 = 0，存储无符号立即数的高 16 位

# MIPS 按字节编址，且对齐限制（强制要求起始地址为 4 的整数倍）
# MIPS 采用大端编址
# 大端编址，高位低字节；小端编址，高位高地址。

# -15041 二进制表示，负数已补码形式存储在计算机中
# 原码：1 011 1010 1100 0001
# 反码：1 100 0101 0011 1110
# 补码：1 100 0101 0011 1111
# 最左边（最上面）最高有效位，最右边（最下面）最低有效位
# 符号扩充：1 111 1111 1111 1111 1100 0101 0011 1111

# 指令的布局称为指令格式，指令的比特序列叫做机器码（定长 32 位）
# R 型（用于寄存器）机器码：00000 0000 0000 0000 0000 00000
# 1. 第一段指明操作码
# 2. 第二段到第四段用来指明寄存器（源、源、目标）
# 3. 第五段表示位移量，用于移位指令
# 4. 最后一段指明功能码
# 第一段和最后一段表明了操作类型
# I 型（用于立即数）机器码：00000 0000 0000 0000 000000000
# I 型指令将 R 型指令最后两个字段合成为一个字段指明地址
# J 型指令，前 6 位指明跳转操作类型，后 26 位为跳转地址

# 逻辑操作    C 操作符    Java 操作符    MIPS 指令
# 左移        <<        <<            sll
# 右移        >>        >>            srl
# 位与        &         &             and, andi
# 位或        |         |             or, ori
# 按位取反     ~         ~             无
# 或非        无        无             nor
# 异或        ^         ^             xor

# MIPS 为了保持格式，没有直接按位取反，引入或非变相解决
# $t1 为 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101
# $t2 全为 0
# 或非结果：1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 
nor     $t3, $t1, $t2       # 与 0 或非就是按位取反

# 决策指令，利用决策指令可以实现分支与循环
beq		$t0, $t1, target	# if $t0 == $t1 then target
bne		$t0, $t1, target	# if $t0 != $t1 then target
j		target				# jump to target
# 无 < <= > >= 解决方案，统一使用 slt。小于置 0，大于置 1
slt		$t0, $t1, $t2       # if $t1 < $t2 then $t0 = 0
slti	$t0, $t1, num       # if $t1 < num then $t0 = 0

# 过程（c 中的函数，Java 中的方法）
# 过程调用寄存器规约
# 1. $a0 ~ $a3：用于传递参数
# 2. $v0 ~ $v1：用于返回值
# 3. $ra：用于返回地址。实际 $ra = PC + 4
# 4. $t0 ~ $t9：临时寄存器，过程调用中无需保存
# 5. $s0 ~ $s7：保留寄存器，过程调用中必须保存
jal		target				# jump to target and save position to $ra
jr		$ra					# jump to $ra

# 栈。历史惯例栈增长按照从高到低顺序进行，压栈值减小，出栈值变大
# $sp：栈指针寄存器，指向栈顶元素。但 MIPS 硬件不支持栈
# 需要使用栈时，程序员要遵守栈的特点去使用数组
sw      $t0, 8($sp)         # 使用数组模拟压栈
sw      $t1, 4($sp)
sw      $t2, 0($sp)
lw      $t0, 0($sp)         # 出栈
lw      $t0, 4($sp)
lw      $t0, 8($sp)
# 过程嵌套的返回地址将其压入栈

# $gp：全局指针寄存器，指向静态数据区的保留寄存器
# $pf：帧指针寄存器，用来指定栈基指寄存器

# ASCAII 字符，需要字节操作
lb      $t0, 0($s1)         # 将 s1[0] 低 8 位放入 $t0 低 8 位
sb      $t0, 0($s1)         # 将 $t0 低 8 位放入 s1[0] 低 8 位
# Unicode，需要半字操作
lh      $t0, 0($s1)         # 将 s1[0] 低 16 位放入 $t0 低 16 位
sh      $t0, 0($s1)         # 将 $t0 低 16 位放入 s1[0] 低 16 位
lhu     $t0, 0($s1)         # 无符号
# MIPS 强制边界对齐，所以会将字节与半字压缩成一个字

# 字符串表示方法
# 1. 第一个元素给出字符串长度（Java）
# 2. 最后一个元素为 '\0'（C）
# 3. 附加一个带有字符串长度的变量

# MIPS 寻址方式
# 1. 立即数寻址（立即数）
# 2. 寄存器寻址（寄存器）
# 3. 基址寻址（寄存器 + 立即数）
# 4. PC 相对寻址（beq、bne）
# 5. 伪直接寻址（J 指令）
# 3、4、5 寻找的数据都存在内存中

# C 语言程序翻译到执行
# 1. C 语言经过编译器翻译为汇编语言
# 2. 汇编语言经过汇编翻译为由机器语言构成的目标模块
# 3. 生成的目标模块再与库程序经过链接器解析引用生成可执行文件
# 4. 可执行文件通过加载器加载到内存合适位置，等待 CPU 执行
# .c c 文件，.s 汇编文件，.o 目标文件，.a 静态链接库，.so 动态链接库，.out 可执行文件

# 汇编指令：可以翻译为机器码的指令
# 伪指令：给编译器看的指令，不可被翻译为机器码
# MIPS 中 move 不是汇编指令，是伪指令
move 	$t0, $t1		# $t0 = $t1
# move 伪指令编译器看到会将其转换类似于以下的汇编指令
add		$t0, $t1, $zero		# $t0 = $t1 + 0
# 同样 MIPS 中 ble、blt、bge、bgt 也是伪指令，最终会被 slt 和 beq 替代
ble		$t0, $t1, target	# if $t0 <= $t1 then target
blt		$t0, $t1, target	# if $t0 < $t1 then target
bge		$t0, $t1, target	# if $t0 >= $t1 then target
bgt		$t0, $t1, target	# if $t0 > $t1 then target
# 伪指令使 MIPS 拥有硬件所实现的更为丰富的指令集
# 每条指令最终都会翻译为二进制序列，编译器必须处理所有标号对应的地址。这些标号都放入符号表中

# UNIX 目标文件：
# 1. 目标文件头，描述目标文件其他部分的大小和位置
# 2. 代码段，包含机器码
# 3. 静态数据段，包含程序生命周期内分配的数据
# 4. 重定位信息，标记程序加载进内存时依赖绝对地址的指令和数据
# 5. 符号表，包含未定义的剩余标记，如外部引用
# 6. 调试信息，包含说明目标模块如何编译的描述

# 链接出现的原因
# 对于源程序的任意一处修改都需要重新编译代码
# 但是库程序，所有程序都会被引用，且也几乎不会被更改
# 如果对于库程序也要重新编译，这将会存在大量的浪费

# 静态链接库：在程序运行前就链接
# 动态链接库：在程序执行过程中才链接库程序