第一章汇编语言和汇编指令

【用最少的指令来实现功能】

自用

文章基于《计算机体系结构新讲》（中国地质大学出版社）

一、汇编指令

（1）MIPS汇编指令示例解析

（2）MIPS指令集

二、汇编指令中的操作数

（1）寄存器

（2）立即数

（3）内存

三、MIPS程序控制指令

【if】

【while】

【for】

【switch】

四、函数调用

（一）跳转

（二）嵌套

（三）栈

五、逻辑运算

一、汇编指令

什么是汇编语言？

汇编语言（Assembly Language）是任何一种用于电子计算机、微处理器、微控制器或其他可编程器件的低级语言，亦称为符号语言。其中，本系列笔记将以MIPS汇编语言为例来进行解析。

（1）MIPS汇编指令示例解析

a=b+c   //C风格
add a b c  //MIPS汇编
指令代码 操作数1 操作数2 操作数3（MIPS汇编指令格式）

（2）MIPS指令集

二、汇编指令中的操作数

（1）寄存器

MIPS处理器的汇编语言中，算数运算指令的操作数只能是寄存器。（设计简单）

规定指令由四个部分构成（规则性、统一性）

在MIPS计算机中设计了32个32位的通用寄存器来作为汇编指令的操作数。

寄存器约定

*注：

$0:恒为常数0。

$s0~&s7:若使用，必须恢复。

$sp:若使用，必须恢复。

$ra:在嵌套调用时，调用函数需将它保存到栈上。

（2）立即数

类似于C语言里面的常数

为何叫立即数？

该数可以在代码中立即获得，不需要先存放到寄存器，等到用的时候再去取。

（3）内存

内存与寄存器的数据交换指令

将内存看作一个一维数组，从而可以使用一个指向内存的指针来简单访问内存从内存中装入（load）数据到寄存器
lw $1 imm($2)s
# $1是用来存储从内存中获取的数据的寄存器
# $2是用来存储访问内存的指针，称为基址
# imm是偏移量（offset）,必须是常数（有符号）
# $1=memory[$2 + offest]将寄存器的值存储（store）到内存中
sw $1 imm($2)
# $1是用来保存即将要存入内存的数据的寄存器
# $2是用来存储访问内存的指针，称为基址
# imm是偏移量（offset）,必须是常数（有符号）
# memory[$2 + offest]=$1word 字 32位
1 word = 4 Byte = 32 Bit上述memory[i]表示的是内存中的第i个字（word），而基址的单位是字节（Byte），offest的单位也是字节（Byte），但是不管是lw指令还是sw指令，每次但是传递一个字的内容，所以此时就要求基址和offest
的和为4的倍数（实现字对齐）。以上全部是MIPS的字数据传送，下面将介绍MIPS中的字节数据传送：
字节传送指令：lb，sb
形如 lb $1 imm($2) 的指令，是将内存中第(imm+$2)字节的内容传递到$1寄存器中，但是第(imm+$2)字节的内容只有8位，但是寄存器有32位，此时MIPS就会采用符号拓展的方式(lbu指令是采用零拓展的方式)来填充高24位，从而与原有的8位数组成一个32位的数值保存到寄存器中。（sb指令就是将寄存器中一字节的数据传送到内存中）

三、MIPS程序控制指令

条件分支指令：
beq $1 $2 loop  #若$1==$2，则跳转到loop，否则进行下一条指令
ben $1 $2 loop  #若$1！=$2，则跳转到loop，否则进行下一条指令
无条件分支指令：
j loop  #直接跳转到loop（类似与C语言中的goto）

结合条件分支指令实现C语言中if，while，for，switch等等到汇编语言的转换：

【if】

【C语言】
int a;
if(a==0)clause 1;
else if(a<0)clause 2;
elseclause 3;【MIPS汇编】
假设$t0中存放的是abeq $t0 $0 loop1    # $t0==$0 -> jump to loop1slt $t1 $0 $t0      # $0<$t0 -> $t1=1 // $0>$t0 -> $t1=0beq $t1 $0 loop2    # $t1==$0 -> jump to loop2
loop3:clause 3j exit
loop1:clause 1j exit
loop2:clause 2
exit：

【while】

（1）do...while

【C语言】
do{clause
}while(a>=100)【MIPS汇编】
假设a存放在$t0中 li $t1 100         #int num=100 -> $t1
loop:clauseslt $t2 $t0 $t1    # $t0<$t1 -> $t2=1 // $t0>=$t1 -> $t2=0beq $t2 $0 loop    # $t2==0 -> jump to loop
exit:

(2)while...

【C语言】
while(a>=100)
{clause;
}【MIPS汇编】
假设a存放在$t0中 li $t1 100         #int num=100 -> $t1slt $t2 $t0 $t1    # $t0<$t1 -> $t2=1 // $t0>=$t1 -> $t2=0li $t3 1           # $t3=1beq $t2 $t3 exit   # $t2==$t3 -> jump to exit
loop:clauseslt $t2 $t0 $t1    # $t0<$t1 -> $t2=1 // $t0>=$t1 -> $t2=0beq $t2 $0 loop    # $t2==0 -> jump to loop
exit:

(3)课内上机do...while实例

题目：将下面C++代码翻译成对应的MIPS汇编语言

void main( )
{
   int i, sum(0);
   cin >> i;
   do {
       sum = sum + i * 2;
       i++;
   } while ( i<= 5);

cout << "sum=" << sum << endl;
}

答案：

.data I:.asciiz "please enter the value of I:"result:.asciiz "sum="
.text#print Ili $v0 4la $a0 Isyscall#Enter Ili $v0 5syscall#store the I to $tomove $t0 $v0li $s0 0 #int sub=0li $s1 5Loop: add $t1 $t0 $t0add $s0 $s0 $t1addi $t0 $t0 1slt $t2 $s1 $t0  #if $t0>5 $s1=1; if $t0<=5 $s1=0beq $t2 $0 LoopExit:#print resultli $v0 4la $a0 resultsyscall#print subli $v0 1move $a0 $s0syscall

【for】

【C语言】
for(int i=0;i<100;i++)
{clause;
}【MIPS汇编】    li $t0 100         # $t0=100add $t1 $0 $0      # int i=0 -> $t1
loop:clauseaddi $t1 $t1 1     # i++slt $t2 $t1 $t0    # $t1<$t0 -> $t2=1 // $t1>=$t0 -> $t2=0li $t3 1           # $t3=1beq $t2 $3 loop    # $t2==0 -> jump to loop
exit:

【switch】

【C语言】
switch(k)
{
case 0:clause 0;break;
case 1:clause 1;break;
case 2:clause 2;break;
case 3:clause 3;break;
default:clause;
}【MIPS汇编】
假设k存放在$t0中bne $t0 $0 loop1    # k！=0 -> jump to loop1
loop0:clause 0j exit
loop1:addi $t1 $t0 -1     # $t1=k-1bne $t1 $0 loop2    # k！=1 -> jump to loop2clause 1j exit
loop2:addi $t1 $t0 -2     # $t1=k-2bne $t1 $0 loop3    # k！=2 -> jump to loop3clause 2j exit
loop3:addi $t1 $t0 -3     # $t1=k-3bne $t1 $0 loop4    # k！=3 -> jump to loop4clause 3j exit
loop4:clause
exit:

四、函数调用

（一）跳转

课内上机实例

题目：将下面C++语句翻译成对应的汇编语言

int Test(int a, int b)
{
   int c = 0;
   if (a >= b)
       c = 4 * a + b;
   else
       c = 8 * a - b;
   return c;
}

void main()
{
   int x = 5, y = 6;
   cout << Test(x, y) << endl;
cout << Test(10, 20) << endl;
}

答案：

.datafirst:.asciiz"Test(x, y) = "second:.asciiz"\nTest(10, 20) = "
.text
main: li $t1 5   li $t2 6   add $a1 $t1 $0   add $a2 $t2 $0   jal Test   #print first and resultli $v0 4la $a0 first        syscallli $v0 1move $a0 $t0syscallli $t1 10 li $t2 20  add $a1 $t1 $0   add $a2 $t2 $0 jal Test   #print second and resultli $v0 4la $a0 second      syscallli $v0 1move $a0 $t0syscall#finishli $v0 10syscall Test: add $t0 $t0 $0slt $t3 $a2 $a1 beq $t3 $0 else  sll $t0 $t1 2add $t0 $t0 $t2
else:sll $t0 $t1 3sub $t0 $t0 $t2jr $ra

（二）嵌套

实例

【C语言】
main()
{sumSquare(a,b);
}
int sumSquare(int x,int y)
{return mult(x,x)+y;
}
int mult(int x,int y)
{return x*y;
}【MIPS汇编】
/* a,b : $s0,$s1 */
1000        add $a0 $s0 $0     #x=a
1004        add $a1 $s1 $0     #y=b
1008        addi $ra $0 1016   #$ra=1016
1012        j sumSquare
...                            #主函数
2000   sumSquare:
2004        add $t9 $ra $0     #$t9=1016
2008        addi $ra $0 2024   #$ra=2024
2012        add $t8 $a1 $a0    #$t8=$a1
2016        add $a1 $a0 $0     #$a1=$a0
2020        j mult
2024        add $a1 $t8 $0     #$a1=$t8=y(b)
2028        add $v0 $v0 $a1    #$v0= mult(x,y)+y
2032        add $ra $t9 $0     #$ra=$t9=1016
2036        jr $ra             #jump to 1016
2040    mult:
2044        mul $v0 $a0 $a1    #$v0=x*y
2048        jr $ra             #jump to 2024

（三）栈

对于更多层的嵌套，需要更多的寄存器，所以肯定会出现寄存器不够用的情况，同时在传参数的过程中，只有四个参数寄存器（$a0~$a3，详见寄存器约定），也会出现不够用的情况，那么此时就要使用栈（stack）来保存这些数据。

栈是一种先进后出的数据结构，在MIPS汇编语言中需要程序员自己维护栈。（自开自关）

实例：

前面（二）中实例中的sumSquare函数可以结合栈的使用编译成下面的汇编语言
sumSquare:addi $sp $sp -8    #申请栈空间sw $ra 4($sp)      #保存主调函数的返回地址（即上面的1016）[$t9]sw $a1 0($sp)      #保存y[$t8]add $a1 $a0 $0     #mult（x,x）将第二个参数复制成第一个jal mult           #跳转到mult，并且将下一条指令地址保存到$ralw  $a1 0($sp)     #恢复yad $v0 $v0 $a1     #mult（）+ylw $ra 4($ap)      #取回主调函数的返回地址addi $sp $sp 8     #恢复栈jr $ra
mult:*注：addi $sp $sp -n 中，n一定是4的倍数，且使用该栈是可以从0用到n-4（间隔为四）。

五、逻辑运算

常见的逻辑运算包括“与”运算和“或”运算，即and和or。

“与“运算（and）逻辑：当且仅当两个输入都为1时，结果才为1；否则为0。

”或“运算（or）逻辑：两个输入中只要有一个为1时，结果即为1；否则为0.

MIPS汇编语言中的三个移位指令：

（1）sll（逻辑左移）：左移，空位补0。

（2）srl（逻辑右移）：右移，空位补0.

（3）sra（算数右移）:右移，空位进行符号拓展。

*注：左移可以用做乘2的幂次，右移可以用作除以2的幂次。

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