「BUAA-CO」P2_MIPS汇编程序设计

计算机组成

发布日期: 2021-10-30

文章字数: 2.2k

阅读时长: 8 分

MIPS架构（RISC）

CPU执行程序的过程

读取指令
分析指令
执行指令

RISC的设计思想：

CPU越简单则性能越高，即目标为减少指令数量，去除复杂指令

加速大概率事件
简单意味着更容易设计、电路频率更高
简单功能由硬件实现；复杂功能（由大量小功能组成）交给软件处理（复杂功能是小概率的）

RISC的设计策略

指令定长：所有指令都占用32位（1个字）
降低了从存储器中读取指令的复杂度
简化指令寻址模式：以基地址+偏移为主
降低了从主存中读取操作数的复杂度
ISA的指令不仅数量少，而且简单
降低了指令执行的复杂度
只有load与store两类指令能够访存
例如，不允许寄存器+存储器或存储器+存储器
把复杂留给编译
编译器将高层语言复杂语句转换为若干简单的汇编指令

MIPS的寄存器

MIPS共有32个一般寄存器（标号为$0 ~ $31),不区别正负。还有pc、hi、lo等特殊寄存器

寄存器名	序号	作用
$zero	0	储存常量0，不支持修改
$v0 ~ $v1	2~3	函数返回值
$a0 ~ $a3	4~7	函数参数
$t0 ~ $t9	8~15, 24~25	临时变量
$s0 ~ $s7	16~23	程序员变量（全局变量）
$k0 ~ $k1	26~27	操作系统使用
$gp	28	在生成复杂的存储布局时使用（属于编译范畴）
$sp	29	栈顶指针
$fp	30	在生成复杂的存储布局时使用（属于编译范畴）
$ra	31	函数返回值
pc	无	程序计数器（冯诺依曼计算机）
hi	无	储存乘法运算结果的高32位和除法运算的余数
lo	无	储存乘法运算结果的低32位和除法运算的商

MIPS中主存地址的表示和主存数据的存储

地址表示方式：

绝对地址
主存单元的地址直接用具体的数值来表示
相对地址
采用“基地址+偏移”的方式，优点如下
- 一致性：与数据结构的访问方式高度一致
- 统一性：可以用某个固定base与不同的offset计算得到任意地址
- 灵活性：不同的{base,offset}组合可以对应同一个地址，为软件编程带来很大的灵活性

指令存储方式：

大端存储：最高有效字节在字内的最低地址
小端存储：最高有效字节在字内的最高地址

MIPS的指令集（按功能分类）

加载指令

lb, lbu, lh, lhu, lw

保存指令

sb, sh, sw

R-R运算指令

add, addu, sub, subu, mult, multu, div, divu
slt, sltu
sll, srl, sra, sllv, srlv, srav 
and, or, xor, nor

R-I运算指令

addi, addiu, andi, ori, xori, lui
slti, sltiu

分支指令

beq, bne, blez, bltz, bgez, bgtz

跳转指令

j, jal, jr, jalr

传输指令

mfhi, mflo, mthi, mflo

特权指令

eret(异常返回)， mfc0(读CP0寄存器)， mtc0(写CP0寄存器)

陷阱指令

break(断点异常)， syscall(系统调用异常)

tips1: MIPS指令判断溢出的方法

以add指令为例：

tips2: LO和HI寄存器中保存的值

在乘法指令中， LO保存运算结果的低32位，HI保存运算结果的高32位；
在除法指令中， LO保存商，HI保存余数；

tips3: MIPS指令中“u”的含义

signed 和 unsigned 有三种不同的含义

符号位扩展
- lb, lh 符号扩展
- lbu, lhu 零扩展
溢出检测
- add, addi, sub, mult, div 检测溢出
- addu, addiu, subu, multu, divu 不检测溢出
比较对象的符号性
- slt, slti 和符号数比较
- sltu, sltiu 和无符号数比较

伪指令

为了使程序更可读更易编写，MIPS定义了一组伪指令，例如常用的move,la,li等等。
伪指令并不是真正的指令，在汇编时汇编器会将其转化为实际指令
例如move dst, src会被转化为addi dst, src, 0
伪指令通常会转化为多条真实指令，因此这组真实指令之间必须通过某个寄存器（$at）来传递信息。因此$at为汇编器专属寄存器，不能被程序员修改（约定）。

MIPS中函数的实现

函数实现的步骤

调用者把参数放置在某个地方以便函数能访问（$a0, $a1, $a2, $a3）
调用者转移控制给被调用的函数(jal指令)
函数获取局部变量对应的空间(通过桟操作)
函数执行具体功能
函数把返回值放置在某个地方，然后恢复使用的资源(v0, v1)
返回控制给调用者(jr指令)

函数相关的寄存器

$a0 ~ $a3：4个传递参数的寄存器
$v0 ~ $v1：2个传递返回值的寄存器
$ra：返回地址寄存器，保存着调用者的地址用到的寄存器

保存和恢复寄存器

因为寄存器数量较少，因此需要桟将寄存器中的数据保存在内存中，防止调用函数的过程中某些需要保存的值被覆盖。此时我们需要对保存栈顶地址的寄存器$sp进行操作：申请桟帧->储存寄存器的值->调用函数->将桟中的值返回寄存器->释放桟帧
根据寄存器受保护的程度,可以将寄存器分为强保护和弱保护

注意，强保护寄存器为被调用者保存（进入函数时保存，退出函数前恢复）；弱保护寄存器由调用者保存（调用子函数前保存，子函数返回后恢复）。

MIPS指令格式

MIPS指令的32位被划分为若干个域，代表特定含义，每一个域在不同指令的含义大体是相同的。
### R型指令
域的分块

域的命名

域名	含义
opcode	代表指令的操作，R型指令的opcode固定为0b000000
funct	与opcode指令配合，精确定义指令的具体操作，主要用于服务R型指令
rs	指定第一个操作数（source寄存器）
rt	指定第二个操作数（target寄存器）
rd	指定结果回写的寄存器（destination寄存器）
shamt	移位指令（sll， sra， srl）中的移位位数，其他指令中该域固定为0

注意：
- nop是一条特殊指令（0x00000000），对应的指令为sll $0, $0, 0,主要用于解决流水线冲突。

I型指令

域的分块

域的命名

域名	含义
opcode	代表指令的操作， I型中opcode为非零编码，一共可以编码64条指令
rs	指定第一个操作数（source操作数）
rt	指定第二个操作数（target操作数）
immediate	表示16位立即数

注意：

立即数（immediate）分为有符号立即数和无符号立即数
- 无符号立即数的指令包括：位运算指令(and, or, nor等)和小于置位指令（slti等）
  zero_ext()：运算前需要进行无符号扩展
- 有符号立即数的指令包括：分支指令（如beq， bne等），访存指令（lw， sw等）
  sign_ext()：运算前需要进行符号扩展
如何计算32位立即数？
- 解决方案：结合使用lui和ori两个指令
- 例如伪指令addi $t0, $t0, 0xABABCDCD 可以转化为以下三条指令
```
lui $at,0xABAB # 高16位
ori $at,$at,0xCDCD # 低16位
add $t0,$t0,$at # 赋值
```
关于跳转指令（B类指令）的跳转范围
- 指令都是32位长，且指令是字对齐，这意味着最低2位恒为0。因此immediate没有必要记录最低2位，乘以4后就得到了对应字节地址！immediate为16位符号数，其表示范围是正负±$2^15$
- 如果跳转的目的地址超过了$2^15$条指令可以将beq $s0, $0, far改写为
```
bne $s0, $0, next
j far
next: #next instruction
```

J型指令

域的分块和命名

PC地址的计算方法

由于PC的值始终是4的倍数，因此最后两位都是零，没有必要存储；PC的高四位来自当前指令的高四位，意味着目的地址与当前指令必在同一区段 {X000_0000，XFFF_FFFF},因此j指令的跳转范围是256MB，只有jr指令（R型）才可以跳转到4GB内的任意地址。