MIPS 汇编指令学习

MIPS的系统结构及设计理念比较先进,其指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV、MIPS V,以及嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展。

MIPS32的架构是一种基于固定长度的定期编码指令集,并采用导入/存储(load/store)数据模型。经改进,这种架构可支持高级语言的优化执行。在路由器中,经常使用的一种MIPS架构就是MIPS32。

 

MIPS寄存器

RISC的一个显著特点就是大量使用寄存器。因为寄存器的存取可以在一个时钟周期内完成,同时简化了寻找方式,所以,MIPS32的指令中除了加载/存储指令以外,都使用寄存器或者立即数作为操作数,以便让编译器通过保持对寄存器内数据的频繁存取进一步优化代码的生成性能。

MIPS32寄存器分为两类:通用寄存器(GPR)和特殊寄存器。

1、通用寄存器(GPR)

在MIPS体系结构中有32个通用寄存器,在汇编程序中可以用编号$0~$31表示,也可以用寄存器的名字表示,如$sp、$t1、$ta等,如图,堆栈是从内存的高地址方向向低地址方向增长的。

  • $0:即$zero,该寄存器总是返回0,为0这个有用常数提供了一个简洁的编码形式。在MIPS处理器的通用寄存器中,没有任何帮助运算判断的标志寄存器,要实现相应的功能时,都是通过测试两个寄存器是否相等完成的。MIPS编译器常常会使用slt、beq、bne等指令和由寄存器$0获得0值产生比较所有的比较条件,如相等、不等、小于等于、大于、大于等于。还可以用add指令创建move伪指令,如”move $t0, $t1; $t0=$t1″实际为“add $t0,$0,$t1; $t0= $t1 + 0″。使用MIPS伪指令可以简化任务。
  • $1 ($at) : 该寄存器为汇编保留,用做汇编器的暂时变量。
  • $2~$3($v0~$v1): 用于存放子程序的返回值或非浮点结果。当这两个寄存器不够存放返回值时,编译器通过内存来完成。
  • $4~$7($a0~$a3):用于将前4个参数传递给子程序,不够的用堆栈处理。$a0~$a3、$v0~$v1和$ra 一起完成子程序函数调用过程,分别用以传递参数、返回结果和存放返回地址。当需要使用更多的寄存器时就需要堆栈了。MIPS编译器总是为参数在堆栈中留有空间,以防有参数需要存储。
  • $8~$15($t0~$t7): 一个子函数可以不用保存并随意使用这些寄存器。在进行表达式计算时,这些寄存器是非常好的临时变量。在使用时需要注意,当调用一个子函数时,这些寄存器的值有可能被子函数破坏。
  • $16~$23($s0~$s7): 子函数必须保证当函数返回时这些寄存器的内容将恢复到函数调用以前的值,或者子函数里不使用这些寄存器或把它们保存在堆栈上并保存在函数退出时恢复。这种约定使这些寄存器非常适合作为寄存器变量,或者用于存放一些函数调用期间必须保存的原值。
  • $24~$25($t8~$t9): 同$t0~$t7,作为$t0~$t7寄存器补充。
  • $26~$27($k0~$k1): 通常被中断或异常处理程序使用,以保存一些系统参数。
  • $28($gp): C语言中有两种存储类型,分别是自动型和静态型。自动变量是一个函数中的局部变量。静态变量在进入和退出一个函数时都是存在的。为了简化静态数据的访问,MIPS保留了一个寄存器作为全局指针gp在编译时,数据需要在以gp为基指针的64KB范围内。
  • $29($sp): MIPS硬件并不直接支持堆栈,X86有单独的PUSH和POP指令,而MIPS没有单独的栈操作指令,所有对栈的操作都是统一的内存访问方式,单这并非不影响MIPS使用堆栈。在发生函数调用时,调用者把函数调用之后要用的寄存器压入堆栈,被调用者把返回地址寄存器$ra(并非任何时候都保存$ra)和保留寄存器压入堆栈。同时,调整堆栈指针,并在返回时从堆栈中恢复寄存器。
  • $30($fp): 不同编译器可能对该寄存器使用方法不同。GNU MIPS C编译器使用了栈指针(Frame Pointer)。SGI的C编译器则没有使用栈指针,只是把这个寄存器当成保存寄存器使用($s8),这虽然节省了调用和返回开销,但增加了代码生成的复杂度性。
  • $31 ($ra): 存放返回地址。MIPS有一个jar(jump-and-link,跳转并链接)指令,在跳转到某个地址时可把下一条指令的地址放到$ra中,用于支持子程序。例如,调用程序把参数放到$a0~$a3中,“jar X”指令跳到X过程,被调用时需要保存的寄存器为$a0~$a3、$s0~$s7、$gp、$sp、$fp、$ra。

2、特殊寄存器

MIPS32架构中定义了3个特殊寄存器。分别为PC(程序计数器)、HI(乘除结果高位寄存器)和LO(乘除结果低位寄存器)。在进行乘法运算时,HI和LO保存乘法的运算结果,其中HI存储高32位,LO存储低32位;而在进行除法运算时,HI保存余数,LO存储商。

 

MIPS 指令

 

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