01_MIPS架构初探

MIPS架构初探

MIPS基础

什么是MIPS?

MIPS(无互锁流水线微处理器)是一种精简(RISC)指令系统结构(ISA)，起源于Stanford大学John Hennessy教授的研究成果

• MIPS版本
  • MIPS I
  • MIPS II
  • MIPS III
  • MIPS I
  • MIPS IV
  • PIPS V
  • MIPS 32/64
• MIPS可选扩展
  • MIPS-3D 在3D处理时的可扩展选项
  • MDMX
  • MIPS16e
  • MIPSMT

CISC(Complex Instruction Set Computer)复杂指令计算机。Interl的X86、AMD的K5、K6未该类型

RISC(Reduced Instruction Set Computer)精简指令计算机。Acron公司的ARM、IBM的PowerPC、MIPS公司的MIPS为该类型

MIPS结构的基本特点

• 优先选取一些使用频率最高的简单指令，以及一些很有用但不复杂的指令
• 指令长度固定，格式种类少，个字段划分比较一致，各字段功能比较规整
• 只有存数，取数，访问存储器，其余指令的操作都是在寄存器之间进行
• CPU中通常寄存器数量较多

假如有一个4字节的数据为0x12 34 56 78 (十进制:305419896,0x12为高字节，0x78为低字节)，若将其存放于地址0x4000 8000中

内存地址	0x4000 8000(低地址)	0x4000 8001	0x4000 8002	0x4000 8003(高地址)
大端模式	0x12(高字节)	0x34	0x56	0x78(低字节)
小端模式	0x78(低字节)	0x56	0x34	0x12(高字节)

mips : big-endian的mips架构

mipsel : little-endian的mips架构

MIPS应用领域

计算机、电视机、龙芯芯片、摄像头、路由器 …

MIPS汇编

MIPS寄存器

register	Assembly name	Comment
r0	$zero	Always 0
r1	$at	Reserved for assembler
r2 - r3	%v0 - $v1	Stores results
r4 - r7	$a0 - $a3	Stores arguments，参数超过4个才会存放到栈上
r8 - r15	$t0 - $t7	Temporaries,not saved
r16 - r23	$s0 - $s7	Contents saved for use later
r24 - r25	$t8 - $t8	More temporaries,not saved
r26 - r27	$k0 - $k1	Reserved by operating system。 给中断使用
r28	$gp	Global pointer
r29	$sp	Stack pointer。栈
r30	$fp	Frame pointer。栈
r31	$ra	Return address
$f0 - $f3	-	Floating point return values
$f4 - $f10	-	Temporary registers,not preserved by subprograms
$12 - $f14	-	First two arguments to subprograms,not preserved by subprograms
$16 - $f18	-	More temporary registers,not preserved by subprograms
$f20 - $31	-	Saved registers,preserved by subprograms

一般情况下，32位处理器中每个寄存器的大小是32位，即4字节

MIPS五级流水线

• 取指令 : 将指令从指令Cache中取出，并计算下一条指令的地址
• 读操作数及转移: 根据指令从寄存器中读出操作数，同时若为转移指令，满足转移条件时设置PC
• 执行: 根据指令进行计算，若为存取类指令，则计算地址
• 访问存储器: 若为存取类指令，对进行数据Cache进行读写
• 写结果: 将执行或存取的结果写回寄存器

MIPS指令集

• R格式指令为纯寄存器指令，所有的操作数（除移位外）均保存在寄存器中，Op字段均为0，使用funct字段区分指令
• I格式指令为带立即数的指令，最多使用两个寄存器，同时包括了load/store指令使用Op字段区分指令
• J格式指令为长跳转指令，仅有一个立即数操作数。使用Op字段区分指令
  

MIPS环境搭建

• 操作系统 : Ubuntu x64
• MISP IDE : MARS 4.5 （运行方式 java -jar mars.jar）
• 在线网站 : https://rivoire.cs.sonoma.edu/cs351/wemips/
• 交叉编译 : misp-linux-gnu*
• 模拟环境 : qemu （最好是到github搜索qemu，通过官方文档给定的步骤进行安装）

MISP交叉编译链接工具

gcc-mips-linux-gnu

sudo apt-get install linux-libc-dev-mips-cross
sudo apt-get install libc6-mips-cross libc6-dev-mips-cross
sudo apt-get install binutils-mips-linux-gnu gcc-mips-linux-gnu
sudo apt-get install g++-mips-linux-gnu

gcc-mipsel-linux-gnu

sudo apt-get install linux-libc-dev-mipsel-cross
sudo apt-get install libc6-mipsel-cross libc6-dev-mipsel-cross
sudo apt-get install binutils-mipsel-linux-gnu gcc-mipsel-linux-gnu
sudo apt-get install g++-mipsel-linux-gnu

Qemu安装

安装系统模式

sudo apt-get install qemu

安装用户模式

sudo apt-get install qemu-user-static

编译并运行MIPS

通过 MARS 编译并运行 mips程序

.data
	myStr: .asciiz "hello\n"

.text
	li $v0,4		;载入立即数
	la $a0,myStr ;载入地址
	syscall  ;系统调用，$v0中存储的就是系统调用值

.data
	message: .asciiz "Hi, everybody.\nMy name is MIPS.\n"

.text
	main:
		jal displayMessage  ;跳转指令，1、跳转displayMessage地址，同时把下一条指令的地址写入到 $ra寄存器
		
		addi $s0,$zero,5
		
		li $v0,1
		add $a0,$zero,$s0
		syscall
		
	li $v0,10 ;系统调用，退出
	syscall
	
	displayMessage:
		li $v0,4
		la $a0,message
		syscall
		
		jr $ra	;跳转到 $ra地址的位置

.data
	newline: .asciiz "\n"
	
.text
	main:
		addi $s0,$zero,10
		jal increaseMyRegister
		
		# print a new line
		li $v0,4
		la $a0,newline
		syscall
		
		#pirnt value
		li $v0,1
		move $a0,$s0
		syscall
		
	li $v0,10
	syscall
	
	increaseMyRegister:
		addi $sp,$sp,-4 
		sw $s0,0($sp) # 提升栈， 获取参数 10
		
		addi $s0,$s0,30
		
		#print new value in function
		li $v0,1
		move $a0,$s0
		syscall
		
		lw $s0,0($sp)
		addi $sp,$sp,4 # 恢复栈
		
		jr $ra
	
	# 效果，输出 40  50

静态交叉编译MIPS程序

编写C源代码 hello.c

#include
int main(void)
{
	printf("hello\n");
	return 0;
}

静态链接编译 (这里使用大端的进行编译)

mipsel-linux-gnu-gcc hello.c -o hello --static

qemu模拟运行 （使用大端的进行运行）

qemu-mipsel ./hello

动态链接编译 (小端编译)

mips-linux-gnu-gcc hello.c -o hello

qemu模拟运行，需要指定动态链接库 （小端运行）

qemu-mips -L /usr/mips-linux-gnu ./hello