MIPS架構與組合語言快速入門

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MIPS架構與組合語言快速入門
　　━ 譯自伊利諾大學網頁。有內容刪減和增加。 原文連結為： http://logos.cs.uic.edu/366/notes/MIPS%20Quick%20Tutorial.htm
　　
　　譯者：Clark J Li 李久
　　日期：2009/9/5
　　1. 資料類型
　　1.1. 資料類型

　　 位元組(Byte)為8 Bits；
　　 半字(Half-word) 為16 Bits 即2個位元組；
　　 字 (Word) 為32 Bits 即4個位元組；
　　 一個字元需要一個Byte的空間；
　　 一個整數需要1個Word（4 Byte）的空間；

　　1.2. 指令長度
　　 所有的指令都是32 Bits 的長度；

　　2. 寄存器
　　 MIPS體系架構有32個通用寄存器。在組譯工具中，可以用編號 $0 到 $31來表示；
　　 也可以用寄存器的名字來進行表示， 例如： $sp, $t1, $ra….
　　 有兩個特殊的寄存器 Lo, Hi, 用來儲存乘法/除法的運算結果；
　　 堆棧（Stack）的增長方向是: 從記憶體的高地址方向, 向低地址方向；
　　
　　寄存器編號
　　Register Number 寄存器名稱
　　Register Alternative Name 寄存器描述
　　Description

　　0 Zero 第0號寄存器，其值始終為0
　　1 $at (Assembler Temporary) 是Assembler保留的寄存器
　　2 ~ 3 $v0 ~ $v1 儲存運算式或函數返回的結果
　　4 ~ 7 $a0 ~ $a3 作為函數的前四個入參。在函數調用的過程中不會被儲存。
　　8 ~ 15 $t0 ~ $t7 供組譯工具使用的臨時寄存器。
　　 其值在函數調用的過程中不會被儲存。
　　16 ~ 23 $s0 ~ $s7 子函數在使用這類寄存器時, 必須保其初始值, 在子函數退出前, 必須恢複其原來的初始值. 其值在函數調用的過程中會被儲存。
　　24 ~ 25 $t8 ~ $t9 與$t0 ~ $t7的用法相同.
　　26 ~ 27 $k0 ~ $k1 僅供中斷(interrupt/trap)處理函數使用.
　　28 $gp 全域指標.
　　29 $sp 堆棧指標， 指向堆棧的棧頂。
　　30 $s8/$fp 儲存的值/幀指標。
　　其值在函數調用的過程中會被儲存。
　　31 $ra 返回地址
　　
　　3. 程式結構
　　彙編來源程式代碼本質上是文字檔。由資料聲明、程式碼片段 兩部分組成。

　　3.1. 資料聲明
　　在原始碼中，資料聲明部分以 .data開始。聲明了在代碼中使用的變數的名字。同時，也在RAM中建立了對應的空間。
　　
　　資料聲明的格式：
　　 Name: storage_type value(s)
　　舉例：
　　 Var1: .word 3 # 建立了一個佔1 Word空間的變數， 並賦初值3
　　
　　3.2. 程式碼片段
　　在原始碼中，以 .text開始。列出了彙編代碼。 各個不同功能的程式碼片段，用標籤來標識。
　　
　　3.3. MIPS 組譯工具例子
　　Example:
　　 .data # data declaration
　　var1: .word 23 # declare storage for var1; initial value is 23
　　
　　 .text # Code section
　　__start: # __start is a lable
　　 lw $t0, var1 # load contents of RAM location into register # it means $t0 = var1
　　
　　 li $t1, 5 # $t1 = 5 ("load immediate")
　　 sw $t1, var1 # store contents of register $t1 into RAM
　　 # it means var1 = $t1
　　 done
　　
　　4. 彙編指令
　　4.1. Load/Store指令
　　 RAM訪問相關
　　關於RAM的訪問只能使用Load/Store指令。
　　
　　分類 指令格式 注釋
　　Load li register_destination, value 立即數載入。 把value 載入到目標寄存器
　　 lw register_destination, RAM_source 從RAM源地址處 複製一個Word（4 Bytes）到目標寄存器
　　 lb register_destination, RAM_source 從RAM源地址處 複製一個Byte到目標寄存器的低端處
　　Store sw register_source, RAM_ destination 把源寄存器中的值（4 Bytes）儲存到RAM目的地址中
　　 sb register_source, RAM_ destination 把源寄存器的低端1個Byte， 儲存到RAM目的地址中
　　
　　 定址相關指令
　　
　　分類 指令格式與執行個體 注釋
　　Load la $t0, val_1 複製val_1表示的地址到t0寄存器中
　　註： val_1是個Label
　　 lw $t2, ($t0) t0寄存器中的值作為地址，把這個地址起始的Word 複製到t2 中
　　 lw $t2, 4($t0) t0寄存器中的值作為地址， 把這個地址再加上位移量4後 所起始的Word 複製到t2 中
　　Store sw $t2, ($t0) 把t2寄存器中值（1 Word），儲存到t0的值所指向的RAM中
　　 sw $t2, -12($t0) 把t2寄存器中值（1 Word），儲存到t0的值再減去位移量12, 所指向的RAM 中
　　
　　4.2. 算數運算指令
　　 算數運算指令的所有運算元都是寄存器，不能直接使用RAM地址或間接定址。
　　 運算元的大小都為 Word （4-Byte）
　　指令格式與執行個體 注釋
　　move $t5, $t1 $t5 = $t1;
　　add $t0, $t1, $t2 $t0 = $t1 + $t2; 帶符號數相加
　　sub $t0, $t1, $t2 $t0 = $t1 - $t2; 帶符號數相減
　　addi $t0, $t1, 5 $t0 = $t1 + 5;
　　addu $t0, $t1, $t2 $t0 = $t1 + $t2; 無符號數相加
　　subu $t0, $t1, $t2 $t0 = $t1 - $t2; 無符號數相減
　　mult $t3, $t4 $t3 乘以 $t4, 把64-Bits 的積，儲存到Lo，Hi中。
　　即： (Hi, Lo) = $t3 * $t4;
　　div $t5, $t6 Lo = $t5 / $t6 (Lo為商的整數部分)
　　Hi = $t5 mod $t6 (Hi為餘數)
　　mfhi $t0 $t0 = Hi
　　mflo $t1 $t1 = Lo
　　
　　4.3. 分支跳轉指令
　　 分支指令
　　指令格式與執行個體 注釋
　　b target 無條件的分支跳轉，將跳轉到target 標籤處
　　beq $t0, $t1, target 如果 $t0 == $t1, 則跳轉到target 標籤處
　　blt $t0, $t1, target 如果 $t0 < $t1, 則跳轉到target 標籤處
　　ble $t0, $t1, target 如果 $t0 <=$t1, 則跳轉到target 標籤處
　　bgt $t0, $t1, target 如果 $t0 > $t1, 則跳轉到target 標籤處
　　bge $t0, $t1, target 如果 $t0 >= $t1, 則跳轉到target 標籤處
　　bne $t0, $t1, target 如果 $t0 != $t1, 則跳轉到target 標籤處
　　
　　 跳轉指令
　　指令格式與執行個體 注釋
　　j target 無條件的跳轉, 將跳轉到target 標籤處
　　jr $t3 跳轉到t3寄存器所指向的地址處（Jump Register）
　　
　　4.4. 子函數調用指令
　　指令格式與執行個體 注釋
　　jal sub_routine_label 執行步驟：
　　1. 複製當前的PC（Program Counter）到$ra寄存器中。 因為當前的PC 值就是子函數執行完畢後的返回地址。
　　2. 程式跳轉到子程式標籤sub_routine_label處。
　　
　　註：子函數的返回，使用 jr $ra
　　
　　如果子函數內又調用了其他的子函數，那麼$ra的值應該被儲存到堆棧中。 因為$ra的值總是對應著當前執行的子函數的返回地址。
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