MIPS指令集及汇编完全解析

       MIPS指令集及汇编完全解析                     MIPS指令集及汇编由于本人最近在看底层操作系统与汇编的有关书籍，故写此博文总结，以便后续本人及感兴趣朋友阅读。如有错误恳请指出，一起学习，一起进步！目录MIPS指令集及汇编一、MIPS简介：二、MIPS体系结构1.寄存器特点：2.整数乘法单元和寄存器3.寻址方式4.存储器和寄存器中的数据类型三、MIPS指令与汇编1.指令格式2.寻址方式3.指令系统四、杂记（MIPS计算机硬件对函数调用（过程）的支持）1.为新数据分配空间2.MIPS 程序和数据的存储器空间使用约定一、MIPS简介：1.MIPS为美国芯片设计公司，它采用的是精简指令系统计算结构（RISC结构）（与之对应的：（复杂指令集）CISC结构）。MIPS架构的产品多见于工作站（索尼PS2的Emotion Engine处理器）。RISC比CISC的设计更加简单，由于其授权费用低，被INTEL外的大多数厂商使用。同时在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高计算机性能，并简化硬件设计。2.MIPS 是最早的，最成功的RISC处理器之一，源于Stanford 大学的John Hennessy 教授的研究成果。（Hennessy 于1984年在硅谷创建了MIPS公司）。MIPS是（Microcomputer without interlocked pipeline stages）的缩写，含义是无互锁流水级微处理器。3.MIPS的指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、 MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入 式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展 已经十分成熟。应用广泛的32位MIPS CPU包括R2000，R3000 其ISA都是MIPS I，另一个广泛使用的、含有许多 重要改进的64位MIPS CPU R4000及其后续产 品，其ISA版本为MIPS III。龙芯2E微处理器是一款实现64位MIPS指令集的通用 RISC处理器，与X86指令架构互不兼容；芯片面积 6.8mm×5.2mm；最高工作频率为1GHz；实测功耗5-7瓦。由于与X86指令的不 兼容，龙芯2E无法运 行现有的Windows 32/64位操作系统， 和基于Windows的 众多应用软件。 龙芯2E芯片二、MIPS体系结构1.寄存器特点：MIPS 包含32个通用寄存器 （$0-$31均为32 位）， 硬件没有强制性的指定寄存器 使用规则，但是在实际使用 中，这些寄存器的用法都遵循 一系列约定，寄存器约定用法引入了一系列 的寄存器约定名。在使用寄存 器的时候，要尽量用这些约定名或助记符，而不直接引用寄 存器编号。（1）两个特殊寄存器：$0：不管你存放什么值，其返回值永远是零。$31：永远存放着正常函数调用指令(jal)的返回地址。（2）$at ：由编译器生成的复合指令使用，（3）$v0, $v1：用来存放一个子程序 (函数) 的非浮点 运算的结果或返回值。如果这两个寄存器不够存放 需要返回的值，编译器将会通过内存来完成。（4）$ a0-a3：用来传递子函数调用时前4个非 浮点参数。（5）$ t0-t9:依照约定，一个子函数可以不用保 存并随便的使用这些寄存器。在作表达式计算时，这些寄存器是非常好的暂时变量。当调用一个子函数时，这些寄存器中的 值有可能被子函数破坏掉。所以也是最不安全的。（6）$ s0-s8:依照约定，子函数必须保证当函数返回时这些寄存器的内 容必须恢复到函数调用以前的值， 或者在子函数里不用这些寄存器或把它们保存 在堆栈上并在函数退出时恢复。 这种约定使得这些寄存器非常适合作为寄存器变量、 或存放一些在函数调用期间必须保存的原来的值。（类比：x86汇编中的函数序言和函数尾声）（7）$ k0, k1:被OS的异常或中断处理程序使 用。被使用后将不会恢复原来的值。因此它 们很少在别的地方被使用。（8）$gp:如果存在一个全局指针，它将指向运行时决定 的静态数据(static data)区域的一个位置。这意味 着，利用gp作基指针，在gp指针32K左右的数 据存取，系统只需要一条指令就可完成。该指令如图：如果没有全局指针，存取一个静态数据区域 的值需要两条指令：一条是获取有编译器和loader决定好的32位的地 址常量。另外一条是对数据的真正存取。为了使用$ gp, 编译器在编译时刻必须知道 一个数据是否在$ gp的64K（上下32k）范围之内。并不是所有的编译和运行系统支持gp的使用。（9）$ sp:堆栈指针的上下需要显 式的通过指令来实现。因此 MIPS通常只在子函数进入和 退出的时刻才调整堆栈的指针。 这通过被调用的子函数来实现。SP通常被调整到这个被调用 的子函数需要的堆栈的最低的 地方，从而编译器可以通过相 对於sp的偏移量来存取堆栈上 的堆栈变量。（10）$ fp（另外的约定名是s8）:fp作为框架指针可以被函数用来记录堆栈的情况，在一 个过程中变量相对于函数指针的偏移量是不变的。（相对地址）一些 编程语言显示的支持这一点。汇编编程员经常会利用fp的 这个用法。C语言的库函数 alloca()就是利用了fp来动态 调整堆栈的。 注意：如果堆栈的底部 在编译时刻不能被决 定，你就不能通过$ sp 来存取堆栈变量，因此 $ fp被初始化为一个相 对于该函数堆栈的一个 常量的位置。 这种用法对其他函数可 以是不可见的。（11）$ ra:当调用任何一个子 函数时，返回地址存放 在ra寄存器中，因此通常 一个子程序的最后一个 指令是： jr ra .子函数如果还要调用其 他的子函数，必须保存ra 的值，通常通过堆栈。（12）其他方面：MIPS里没有状态码。CPU状态寄存器或内 部都不包含任何用户程序计算的结果状态信息。hi 和 lo 是与乘法运算器相关的两个寄存器，是用来存放结果的地方。 它们并不是通用寄存器，除了用在乘除法之 外，也不能有做其他用途。 MIPS里定义了一些指令可以往hi和lo里存入任 何值。浮点运算协处理器 (浮点加速器，FPA)，如果存在的 话，有32个浮点寄存器。按汇编语言的简单约定讲， 是从$f0到$f31。实际上，对於MIPS I和MIPS II的机器，只有16个偶数号的寄存器可以用来做数学计算。当然，它们可以既 用来做单精度(32位)和双精度(64位)。当你做一个双精度的运算时，寄存器$f1存放$f0的余数。奇数号的寄存器只用来作为寄存器与FPA之间的数据传送。MIPS III CPU有32个FP寄存器。但是为了保持软件与 过去的兼容性，最好不要用奇数号的寄存器。对比一下x86寄存器结构：寄存器约定小结：2.整数乘法单元和寄存器MIPS体系结构认为乘法非常重要，应该用硬件实现乘法指令，这在RISC CPU中并不常见。乘法结果寄存器是互锁的：只有在整数乘法 运算完成，得到完整的结果后，才能读取结 果寄存器。牺牲速度以换取执行简单和节省芯片空间。3.寻址方式只有加载或存储指令可以访问存储器。存储器的寻址方式为 基址-偏移寻址（存储单元的地址是某个寄存 器与指令中的偏移量之和）。4.存储器和寄存器中的数据类型MIPS CPU的一次操作可读出或写入18个字节的数据，*MIPS编译器提供了64位指针，它把long解释成64位数 据，总之long不应该小于int 。三、MIPS指令与汇编1.指令格式对于一条汇编语言指令来说，有两个问题要解决：o 要指出进行什么操作o 要指出大多数指令涉及的 操作数 和 操作结果 放在何处操作数在MIPS中字（4个字节）的地址必须是4的倍数，存取数据时可以避免一个数据分两次存取。MIPS有三种指令格式：（所有指令都是32 位长） （1）R-型 指令：一条32位的MIPS R型指令按下表bit数划分为 6个字段：6 + 5 + 5 + 5 + 5 + 6 = 32bit6 5 5 5 5 6实例： add $8, $17, $18 # $8 = $17 + $18第一个操作数是寄存器$17,第二个寄存器是$18,目的寄存器结果是$8.该指令没有移位。因为，加法是运算指令，指令操作类型码op是0，funct是32。所以格式是：0$ 17$18$ 8032（2）I-型 指令一条32位的MIPS I型指令 按下表bit数划分为4 个字段： 6 + 5 + 5 + 1 6 = 32bit6 5 5 16I-型指令分类：装入/存储指令、分支指令和 立即数运算指令数据装入：Rt = MemRs + Address数据存储：MemRs + Address = Rt实例： lw $s1, 100($s2) # 暂时寄存器 $s1=Ai，并假设Astart= 100第一个操作数是寄存器 $s2 , 第二个操作数是寄存器$s1 ； 数组的起始地址是Astart， 称为表头地址.所以这条指令的格式是：35$s2$s1100分支指令： if (Rs <relation> Rt) goto (PC+4) + Address （PC 为程序计数器，指向当前执行的指令）分支指令采用的寻址方式为 PC相对寻址 分支 目标的地址是 （PC+4）（下一条指令的地址）与指令中的偏移量之和立即数运算指令 ： addi $21, $22, -50 （立即数 可以为十进制） # 将 $22 与 -50 相加 ，并将结果保存在 $21 中。所以这条指令的格式是：8$22$21-50（3） J-型 指令：一条32位的MIPS J型指令 按下表bit数划分为 2 个字段： 6 + 26 = 32bit6 26操作码 目标地址2.寻址方式（1）寄存器寻址：MIPS算术运算指令的操作数必须从32个32位寄存器中选取实例：（2）立即数寻址：以常数作为操作数，无须访问存储器就可以使用常数。 因为常数操作数频繁出现，所以在算术指令中加入常数字段，比从存储器中读取常数快得多。实例：addi $sp, $sp, 4（常数） # $ sp =$ sp + 4小问题：怎么样将一个32 位的常数装入寄存器 $s0 中 呢？（分两次装入，先装入高16位，在装入低16 位） 如图：0000 0000 0011 1101（高16位） 0000 1001 0000 0000 （低16位）61 2304（3）基址或偏移寻址：操作数在存储器中，且存储器地址是某寄存器与指令中某常量的和。实例：Lw $t0, 8 ($ s0 ) # $s0 中装的是存储器中的地址（4）PC相对寻址实例：条件分支指令 bne $s0, $s1, Exit #如果 $s0不等于 $s1，则跳转到 ExitPC = PC + 分支地址问题1：为什么选PC寄存器？因为几乎所有的条件分支指令都是跳转到附近的地址。问题2：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。（5）伪直接寻址：跳转地址= PC中原高4位 + 指令中的26位 + 00 （32位地址）寻址方式总览：3.指令系统（1）数据传送指令