1. MIPS 指令系统¶
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1.1 基本的MIPS指令¶
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Operands 操作数
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算术指令的操作数一定存放在在寄存器(registers)中
- MIPS体系中有32个寄存器，每个寄存器有32bits
- 寄存器中可以用
$s0-$s7来存储变量，其编号为16-23- 这和C语言中的
register int i;进行的操作相同
- 这和C语言中的
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可以用
$t0,$t1,…来存储一些临时变量，编号为8-15，各寄存器的功能和对应编号如下 -
Data transfer instructions 数据传输指令
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需要获取数据在内存的地址
- 读取数据用lw，存储数据用sw，寄存器中存储了数据在内存中的地址
- Offset 偏移量：数据传输指令中的常数，表示读取多少位
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Base Register：用于存储基地址的寄存器(比如数组的基地址)
- MIPS中的地址偏移量和数组下标之间的关系是4倍，比如数组A的基地址在
$s3中，要获取A[8]，则需要指令lw $t0,32($s3) - 原因是内存中一次只能读出4字节内存中的一行，也就是1word的长度，事实上一条MIPS指令的长度就是1word
- MIPS中的地址偏移量和数组下标之间的关系是4倍，比如数组A的基地址在
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MIPS指令对应的机器码格式
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R型指令：
OP+RS+RT+RD+shamt+funct - I型指令：
OP+RS+RT+address - OP是对应的操作码，RS,RT分别是第一个和第二个操作寄存器，RD是目标寄存器，shamt是偏移量，func是函数对应的编码
- R型指令的操作码没记错的话都是
00000
- R型指令的操作码没记错的话都是
- 所有的MIPS指令都是32位的，其中OP6位，寄存器都是5位，shamt是5位，funct是6位，address是16位
- 这是设计的原则：good design demands good compromises
- 计算机的两条原则
- 指令用数字表示
- 程序可以存储在内存中，像数字一样读写
1.2 条件判断指令¶
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选择判断型指令
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beq register1,register2,L1和bne register1,register2,L1- L1是一个行标号，可以在每行MIPS指令前写，跳转的时候就按照标号所在的位置进行跳转
- 相当于C语言中的goto
- 例子：实现一个简单的loop，其中变量g,h,i,j存储在s1-s4而数组A的基地址存储在s5
Loop: g=g+A[i];
i=i+j;
if (i!=h) goto Loop;
Loop:add $t1,$s3,$s3 #t1=2*i
add $t1,$t1,$t1
add $t1,$t1,$s5 #address if A[i]
lw $t0,0($s1)
add $s1,$s2,$t0 #g=g+A[i]
add $s3,$s3,$s4 #i=i+j
bne $s2,$s3,Loop
- 跳转指令jr，用法是
jr $rr的计算方式是当前所在地址+4*要跳转的行数- 一个函数结束的时候一定要写
jr $ra来返回主函数
- 一个函数结束的时候一定要写
1.3 Procedure Instructions 过程调用指令¶
- 用于过程调用的寄存器和指令
$a0-$a3是4个传递参数到函数的寄存器$v0-$v1是2个用于存储返回值的寄存器$ra用于返回地址的寄存器jal(jump and link) 用于跳转到一个函数中，后面的参数为要跳转的地址，使用jar $ra返回主函数$sp一个栈指针，MIPS汇编中的栈从高地址往低地址扩展，支持Push和Pop两种操作
1.3.1 caller-saved和callee-saved寄存器¶
- Caller-saved register 易失性寄存器：用于保存每个调用过程中不需要在各个调用之间保留的临时变量
- Callee-saved register 非易失性寄存器，用于保存需要在每个调用过程中保留的临时变量
- MIPS在函数调用的过程中需要保留
$s0-$s7和全局变量$gp和栈指针$sp还有$fp
1.3.2 案例1：编写一个简单的函数调用¶
int leaf_example ( int g, int h, int i, int j )
{
int f;
f=(g+h)-(i+j);
return f;
}
- 其对应的MIPS汇编代码如下
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Assume: g ~ j ---- r0 ~ r3 f ---- r4
Leaf: addi $sp,$sp,-12 #adjust stack to make room for 3 items sw $t1,8($sp) sw $t0,4($sp) sw $s0,0($sp) add $t0,$a0,$a1 #g+h add $t1,$a2,$a3 #i+j sub $s0,$t0,$t1 #f=(g+h)-(i+j) add $v0,$s0,$zero #return value in v0 lw * 3 #restore register for caller add $sp,$sp,12 jr $ra -
往往在函数调用的时候把下一行的地址写在寄存器ra中，因此函数运行结束之后可以用
jr $ra指令返回到函数调用的下一句继续执行程序 - 函数编写的时候，s0-s7的寄存器需要被保护，不能在函数中使用使用的，t0-t9存储临时变量，可以视情况调用
1.3.3 案例2：循环调用 Nested Procedure¶
- 简单的递归函数
int fact(int n)
{
if(n<1) return 1;
else return n*fact(n-1);
}
- 对应的MIPS汇编如下：
fact: add $sp,$sp,-8
sw $ra,4($sp)
sw $a0,0($sp)
slti $t0,$a0,1 #test for n<1
beq $t0,$zero,L1
add $v0,$zero,1 #return 1
add $sp,$sp,8
jr $ra #return to after j
L1: addi $a0,$a0,-1
jal fact #call fact with n-1
2000: lw $a0, 0($sp)
lw $ra, 4($sp)
addi $sp,$sp,8
mul $v0,$a0,$v0
jr $ra
$fp提供了一了一个stable base register$gp指向静态变量static variables
1.4 Character Instruction 字符指令¶
- 操作字节的MIPS指令
- Load byte
lb $t0,0($sp)读取字节 - Store byte
sb $t0,0($sp)存储字节 - MIPS中表示字符串的三种方法
- 在string的开头先写好长度
- 维护一个表示string长度的变量
- 在末尾使用结束标志表示一个字符串的末尾(C语言的choice)、
- 同时还有
案例 strcpy的MIPS实现¶
void strcpy(char x[], char y[])
{
int i=0;
while((x[i]=y[i])!=0)
i+=1;
}
- 其对应的MIPS代码如下，其中x和y的首地址位于a0和a1
strcpy: addi $sp,$sp,-4
sw $s0,0(sp)
add $s0,$zero,$zero #i=0
L1: add $t1,$a1,$s0 address of y[i] in $t1
lb $t2,0($t1)
add $t3,$a0,$s0
sb $t2,0($t3)
add $s0,$s0,1
bne $t2,$zero,L1
lw $s0,0($sp) end of the string
add $sp,$sp,4 pop 1 word off the stack
jr $ra #return
1.5 寻址模式¶
- Immediate addressing 立即数寻址
- 在I型指令中出现，I型指令中的后16位作为一个二进制数字来使用
- 立即数有时候是地址，有时候是运算数
- 跳转寻址
- 比如J指令前六位是000010，后面26位就表示要跳转到的地址
- 这里的26位需要乘以4变成PC form
- 分支语句的寻址——相对寻址
- 对于bne之类的分支语句的寻址，计算机采用相对寻址
- PC(Program Counter)计算方式是
PC+4+offset*4，offset是分支指令后16位
- PC(Program Counter)计算方式是
- 原因是每条MIPS指令都是4字节长
- MIPS中的寻址方式的总结
- 寄存器寻址：通过寄存器的编号来找到对应的寄存器，常见于R型指令
- 基地址寻址：用寄存器中存储的地址到内存中去寻址，比如lw和sw
- 立即数寻址：通过I型指令中的立即数来寻址
- PC相对寻址：通过PC+4寻址
- 伪直接寻址：J型指令中经常出现
1.6 MIPS指令总结¶
- MIPS指令的形式
- MIPS指令的Operands
- 32 registers
- Memory words
- MIPS编程中的注意点
- 汇编程序可以不遵循编程原则
- 函数可以直接跳出
- 形参超过四个可以用栈来存储参数，在函数中弹出栈，返回值超过2个也要用堆栈，当然可以打破规则用闲置的寄存器传递参数
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传递参数和获取返回值的寄存器a0-a3和v0-v1一般不直接参与运算
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C语言程序在计算机中的编译过程
- 编译compiling：将C程序转化为汇编语言程序
- 汇编assembling：将汇编语言程序转化为机器码
- 链接linking：将object-modules(含各个库)转化成可执行程序
Extra：文件的一些背景知识¶
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文件存储在硬盘的逻辑分区中，具体来说是扇区，一般为32KB
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100个1字节的文件占据了10032KB的空间，而100KB的内容占据了4/32KB
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文件的起始扇区存在目录中，多个扇区的顺序存在FAT表中，文件删除的时候需要在目录中先清空文件名，再在FAT表中设置各扇区为空闲
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目录也是一个文件，每个文件在目录中是一条记录
- 内存/磁盘碎片整理
- 文件分配的原理：从0开始，找到一块整块的能存下则放置文件，否则就进行分散分配
- 内存用于执行某个程序，则从0开始，找到一块整块的能存下，则分配邮与文件删除和内存释放造成碎片
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链接库
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分为静态链接库和动态链接库，静态链接库可以直接链接，动态链接库作为外部调用
- Windows系统中动态链接库的后缀是dll，静态链接库的后缀是lib
- Linux系统中动态链接库的后缀是so，静态是a
- MIPS体系下的内存动态分配：从低位到高位依次是
- 保留区，Text区
- static data区
- dynamic data区
- stack
1.7 MIPS 需要补充的内容¶
1.7.1 伪指令¶
- 伪指令：没有基于硬件实现，而是用现有的指令组合而成的一些功能
move $rd, $rs：值的拷贝， 实现的功能是rd=rsblt $rs, $rt, RR比较地址的大小，如果rt的地址比较大则进行跳转
1.7.2 系统调用¶
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MIPS中的系统调用相当于一个内部中断，调用系统程序
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指令的格式是
syscall进行系统调用 - 系统调用会读取
$v0寄存器中的数字，根据不同的数字来执行不同的系统调用，将结果保存在a系列或者f系列的寄存器中
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系统调用的一个实例
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这个系统调用的作用就是把寄存器t0中的数字打印出来
li $v0, 1 service 1 is print integer
add $a0, $t0, $zero load desired value into argument register $a0, using pseudo-op
syscall
案例1：实现一个swap函数¶
void swap(int v[],int k)
{
int temp;
temp=v[k];
v[k]=v[k+1];
v[k+1]=temp;
}
- 对应的MIPS代码如下，其中v的基地址在a0，k在a1，temp是t0
swap: add $t1,$a1,$a1
add $t1,$t1,$t1
add $t1,$a0,$t1 t1 has the address of v[k]
lw $t0,0($t1)
lw $t2,4($t1)
sw $t2,0($t1)
sw $t0,4($t1)
jr $ra
案例2：指针和数组的区别¶
void clear1(int a[], int size)
{
for(int i=0;i<size;i++)
a[i]=0;
}
void clear2(int *a,int size)
{
int *p;
for(p=&a[0];p<&a[size];p+=1)
*p=0;
}
- 第一种函数的MIPS实现
- 只要size是正数就可以工作
move $t0,$zero
loop1: add $t1,$t0,$t0
add $t1,$t1,$t1 i*4
add $t2,$a0,$t1 address of a[i]
sw $zero,0($t2)
addi $t0,$t0,1
slt $t3,$t0,$a1
bne $t3,$zero,loop1
- 第二种函数的MIPS实现
move $t0,$a0 #p=&a[0]
add $t1,$a1,$a1
add $t1,$t1,$t1
add $t2,$0,$t1 #t2=&a[size]
loop2: sw $zero,0($t0) #*p=0
addi $t0,$t0,4 #p=p+4
slt $t3,$t0,$t2 p<&array[size] ?
bne $t3,$zero,loop