《初学计算机组成原理之MIPS指令集及汇编》_mips汇编

MIPS指令集及汇编

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前言

本篇基于《计算机组成与设计：硬件、软件》和其他博客资料（链接放在文章尾部），供本人学习记录用，若有错漏欢迎指正

一、从指令讲起

MIPS指令集，就是计算机的“方言”手册，通过这些指令来操作计算机。那么，指令在计算机中是如何表示的呢？
指令在计算机内部是以若干或高或低的电信号的序列表示的，并且在形式上和数的表示相同。实际上，指令的各部分都可以看做一个独立的数，将这些数拼接在一起就形成了指令。
讲具体指令前，要先讲一下寄存器。几乎所有的指令都要用到寄存器，想象一下，如果你要执行加法操作，是不是要传值到计算机，然后还要把它们加起来然后传回结果地址处，这就要用到寄存器去存它们的值和结果，其他操作也类似，所以寄存器至关重要。

（1）寄存器

MIPS 包含32个通用寄存器 （$0-$31均为32 位）

（2）指令的表示

R型格式（register format）

• op：指令的基本操作，opcode
• rs: 第一个源操作数寄存器
• rt: 第二个源操作数寄存器
• rd: 用于存放操作结果的目的寄存器
• shamt:位移量，用于 sll, srl 等指令
• funct: 功能码。用于和op搭配使用，指示操作

I 型格式（Immediate format）

• constant or address: 存放立即数或者地址

J型格式(Jump format)

• 用于无条件跳转指令，一条32位的MIPS J型指令 划分为 2 个字段： 6 + 26 = 32bit

例子：

二、MIPS汇编语言

相关指令总览表：

应用举例

1.赋值语句

C语言：f=(g+h)-(i+j);

变量f,g,g,i,j分别分配给寄存器$s0,$s1,$s2,$s3,$s4
MIPS代码：
add $t0,$s1,$s2   #$to=g+h
add $t1,$s3,$s4   #$t1=i+j
sub $s0,$t0,$t1   #f=(g+h)-(i+j)
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C语言：A[300]=h+A[300];

A的基地址放在$t1,h放在$s2
MIPS代码：
lw $t0,1200($t1)  #取A[300]的值,由于系统按照字节寻址，而且这里默认数组为int型，故300*4
add $t0,$s2,$t0   #h+A[300]
sw $t0,1200($t1)  #计算结果写回A[300]的位置

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2.决策指令：条件分支、循环

C语言：while(save[i]==k)i+=1;

i,k存在$s3,$s5,save基地址存在$s6
MIPS编码：
LOOP：sll $t1,$s3,2  #i*4
add $t1,$t1,$s6
lw  $$t0,0($t1)      #$t0=save[i]
bne $t0,$s5,Exit
addi $s3,$s3,1       #i=i+1
j LOOP
Exit:
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这个嵌套循环的例子需要好好看看：（可以有多种写法，但这种是比较规范的）


以下计算阶乘的递归例子用到了 “栈”

int fact(int n)
{
    if(n<1)return(1);
    else return(n*fact(n-1));
}
n对应$a0,由于要反复用到n且改变其值，故要在栈中保存它，还要保存返回地址
fact:
addi $sp,$sp,-8    #为两个值预留栈内空间
sw   $ra,4($sp)    #$ra用于记录返回地址,保存返回地址到栈中
sw   $a0,0($sp)    #保存a

slti $t0,$a0,1     #if(n<1)
beq $t0,$zero,$L1  #if(n>=1)go to L1

addi $v0,$zero,1   #return 1
addi $sp,$sp,8     #pop栈内值
jr   $ra           #跳转到返回地址

L1：
addi $a0,$a0,-1   #if(n>=1)n-1
jal fact          #递归调用fact(n-1)

lw   $a0,0($sp)   #恢复n值
lw   $ra,4($sp)   #恢复返回地址
addi $sp,$sp,8    #pop栈内值

mul  $v0,$a0,$v0  #rreturn n*fact(n-1)
jr   $ra          #跳到返回地址

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三、补充：寻址方式

如上图所示，主要有四种寻址模式：

• 立即数寻址：操作数是位于指令自身的常数。

一般常数比较短，适用于16位字段，比如 lui 指令能将16位立即数常量存放到寄存器的高16位，低16位用0填充。但是， 如果想把32位常量加载到寄存器怎么办？
首先，可以使用 lui 加载高16位，再用 ori 指令把低16位插入到寄存器。例子如下：

• 寄存器寻址

• 基址寻址或偏移寻址，其地址=基址寄存器的值+形式地址

• PC相对寻址：地址=PC寄存器中的值+形式地址

• 伪直接寻址：地址= PC中原高4位 + 指令中的26位 + 00 （32位地址）

为什么要用PC相对寻址：

首先，需要知道PC寄存器里放什么，PC寄存器里一般存放当前运行的指令地址（其实更应该叫指令地址寄存器），这个特点对条件分支很有利。
PC寄存器解决了分支指令地址大小的问题，原本条件分支地址最多16位字段，如下图，意味着任何程序不能大于2的16次方，用了PC相对寻址，既解决了地址过小问题，又由于PC包含当前指令地址，能满足条件分支跳转到附近指令的需求，故采用它是一个理想选择。

关于PC相对寻址：如何处理16位无法表达的远距离分支？

插入一个无条件跳转到分支目标地址的指令，把分支 指令中的条件变反以决定是否跳过该指令。

四、问题&&谬误（持续更新中）

• MIPS指令 addiu 会对16位立即数域进行符号扩展

这听起来很怪， 因为 u 代表无符号数，这意味加法操作不会产生溢出异常，然而和 addi 、slti 、sltiu 指令类似，16位立即数字段要符号扩展为32位。

那么什么时候立即数被符号位扩展呢？

• 算术指令 ：add addi sub 总是将立即数做符号位扩展即便指令是无符号的;
  乘 、 除 指令 任何情况下都不进行扩展，总是当成 unsigned
• 逻辑指令：（andi, ori通常处理无符号数）不对立即 数做符号位扩展
• load / store指令： 地址计算时总是扩展立即数

总结

通过粗略的学习完这部分内容，我比较深切的感受是;
太神奇了吧！一门小小的“方言”竟然蕴含这么多巧思和独到设计思想，把原本迷雾一般的计算机硬件操作变得清晰可执行，真是万物皆可‘0101’啊！令人头大的0101的电信号跳跃变成可阅读的优美代码真是Amazing~
本人才疏学浅，目前只学到一点点皮毛，待后面进一步学习后再回来修改补充~

参考的其他写的非常好的文章：

https://blog.csdn.net/qq_41191281/article/details/85933985