MIPS指令基础

基本知识
MIPS指令集
- 指令格式
- - I型指令
  - R型指令
  - J型指令
- 寄存器与编码
- 指令详情
- - 算数指令
  - 数据传输指令
  - 逻辑指令
  - 分支指令
  - 跳转指令
MIPS指令翻译示例
- 斐波那契数列
- 字符串复制

基本知识

定义：计算机语言中的基本单词称为指令，一台计算机的全部指令称为该计算机的指令集。
指令集：MIPS(RISC)、ARMv7/ARMv8(RISC)、Intel x86(CISC)。
字(Word):MIPS体系架构中，寄存器大小为32位，称32位为一个字。
补码：计算机中有符号整数的最高位作为符号位，负数使用补码表示，x + (~x) = -1,所以负数的表示形式为-x = (~x)+1。
逻辑右移与符号右移：位右移时使用0填充高位与使用符号位填充高位的区别。

MIPS指令集

指令格式

32位MIPS指令集的长度均为32位，保持所有指令长度相同，但不同类型指令有不同的格式，为R型MIPS字段命名如下：

op	rs	rt	rd	shamt	funct
6位	5位	5位	5位	5位	6位
指令操作码	源寄存器1	源寄存器2	目的寄存器	位移量（移位指令）	功能码

I型指令

op	rs	rt	constant or address
6位	5位	5位	16位
指令操作码	源寄存器	目的寄存器	立即数或地址

R型指令

op	rs	rt	rd	shamt	funct
6位	5位	5位	5位	5位	6位
指令操作码	源寄存器	寄存器2	目的寄存器	位移量（移位指令）	功能码

J型指令

指令：j 10000

op	address
6位	26位
2	10000

指令：bne $s0,$s1,Exit

op	rs	rt	address
6位	5位	5位	16位
5	16	17	Exit

寄存器与编码

Register	Regsiter Code Value（op字段）	Description
zero	0	存储0值，用于辅助计算
v0—>v1	2~3	过程调用：返回值寄存器
a0—>a3	4~7	过程调用：参数寄存器(Argument Register)，传递参数值
t0—> t7	8~15	8个临时寄存器(Temporary Register)，过程调用时无需保存旧值
s0—> s7	16~23	8个保留寄存器(Saved Register)，过程调用时需要被压栈保存并恢复
t8—> t9	24~25	2个临时寄存器(Temporary Register)，过程调用时无需保存旧值
gp	28	全局指针(Global Pointer):指向静态数据区的保留寄存器
sp	29	栈指针(Stack Pointer)
fp	30	过程调用：帧指针(Frame Pointer)，指向过程帧的第一个字，在过程有局部变量时为变量提供统一的偏移基址
ra	31	过程调用：返回地址寄存器(Return Address Register)
at、k0、k1	32,26,27	at由汇编器保留使用，以进行伪指令的翻译，k0~k1由操作系统保留

指令详情

算数指令

指令	示例	说明
加法	add $s1,$s2,$s3	$s1 = $s2 + $s3
减法	sub $s1,$s2,$s3	$s1 = $s2 - $s3
立即数加法	add $s1,$s2,20	$s1 = $s2 + 20 立即数可为负数

数据传输指令

指令	示例	说明
取字	lw $s1,20($s2)	$s1 = memory[$s2 + 20], load word
存字	sw $s1,20($s2)	memory[$s2+20] = $s1, store word
取半字	lh $s1,20($s2)	$s1 = memory[$s2 + 20], load half
取无符号半字	lhu $s1,20($s2)	$s1 = memory[$s2 + 20], load half unsigned
存半字	sh $s1,20($s2)	memory[$s2+20] = $s1, store half
取字节	lb $s1,20($s2)	$s1 = memory[$s2 + 20], load byte
取无符号半字	lbu $s1,20($s2)	$s1 = memory[$s2 + 20], load byte unsigned
存半字	sb $s1,20($s2)	memory[$s2+20] = $s1, store byte
取链接字	ll $s1,20($s2)	$s1 = memory[$s2+20], load link word,取字作为原子交换的前半部分
存条件字	sc $s1,20($s2)	memory[$s2+20] = $s1, $s1 = 0或1，store condition word,如果对应的连接字被更改了，则将寄存器值设置为0
取立即数的高位	lui $s1,20	$s1 = 20∗21620*2^{16}20∗216, load upper immediate

逻辑指令

指令	示例	说明
与	and $s1,$s2,$s3	$s1 = $s2 & $s3
或	or $s1,$s2,$s3	$s1 = $s2 \| $s3
或非	nor $s1,$s2,$s3	$s1 = ~($s2 \| $s3)
立即数与	andi $s1,$s2,20	$s1 = $s2 & 20
立即数或	ori $s1,$s2,20	$s1 = $s2 \| 20
逻辑左移	sll $s1,$s2,10	$s1 = $s2 << 10
逻辑右移	srl $s1,$s2,10	$s1 = $s2 >> 10

分支指令

指令	示例	说明
相等时分支	beq $s1,$s2,25	if($s1 == $s2) goto PC + 4 + 25 * 4, branch equal
不等时分支	bne $s1,$s2,25	if($s1 != $s2) goto PC + 4 + 25 * 4, branch not equal
小于时置位	slt $s1,$s2,$s3	if($s2 < $s3) $s1 = 1 else $s1 = 0, set less than
无符号小于时置位	sltu $s1,$s2,$s3	if($s2 < $s3) $s1 = 1 else $s1 = 0, set less than unsigned

跳转指令

指令	示例	说明
跳转	j 2500	goto 2500 * 4, jump
寄存器跳转	jr $ra	goto $ra, jump register
跳转并链接	jal 2500	$ra = PC + 4, goto 4 * 2500, jump and link

MIPS指令翻译示例

斐波那契数列

int fact(int n)
{if(n < 1) return 1;else return (n * fact(n - 1));
}

下面为上述程序的 MIPS汇编代码。

fact: addi  $sp, $sp, -8          //sp指针预留8字节sw    $ra, 4($sp)           //保存返回地址sw    $a0, 0($sp)           //保存参数nslti  $t0, $a0, 1           //if n < 1 $t0 = 1 else $t0 = 0beq   $t0, $zero, L1        //if n >= 1 goto L1addi  $v0, $zero, 1         //return 1addi  $sp, $sp, 8           //弹栈jr    $ra                   //寄存器跳转
L1：  addi  $a0, $a0, -1          //参数更新为n-1jal   fact                  //链接跳转lw    $a0, 0($sp)           //取当前的参数值nlw    $ra, 4($sp)           //将返回地址加载到$raaddi  $sp, $sp, 8           //弹栈mul   $v0, $v0, $a0         //return n * fact(n - 1)jr    $ra                   //寄存器跳转

字符串复制

void strcpy(char x[], char y[])
{int i;i = 0;while((x[i] = y[i]) != '\0')i += 1;
}

 addi $sp, $sp, -4sw   $s1, 0($sp)          //保存s1内容add  $t1, $zero, $%zero    //$t1 = 0
L1: add  $t2, $t1, $a2         //$t2 = y + iadd  $t3, $t1, $a1         //$t3 = x + ilbu  $s1, 0($t2)           //$s1 = y[i]sb   $s1, 0($t3)           //x[i] = $s1addi $t1, $t1, 1           //$t1 = $t1 + 1bne  $s1, $zero, L1        //if $s1 == 0 goto L1lw   $s1, 0($sp)           //恢复s1内容addi $sp, $sp, 4         jr   $ra

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