【十分钟教会你汇编】MIPS编程入门（妈妈说标题要高大上，才会有人看>_<！）

时间  2019-12-12
标签 mips 编程 入门 妈妈 标题 高大 才会 繁體版
原文   原文链接

　　无心中找到一篇十分好用，并且篇幅也不是很大的入门教程，通篇阅后，再把“栗子”敲一遍，基本能够有一个比较理性的认识，从而方便更好地进一步深刻学习。html

废话很少说，上干货（英语好的直接跳过本人的渣翻译了哈——！纯本人手打原创，有错请指教，要转载请声明出处，谢~~）：express

 

MIPS Architecture and Assembly Language Overview

MIPS架构及其汇编初步

 

（开始以前稍微再提下，总体分为4个结构：）数组

　　1： 寄存器种类；架构

　　2： 算术及寻址指令app

　　3： 程序结构函数

　　4： 系统调用 学习

Data Types and Literals

数据类型

  • 全部MIPS指令都是32位长的
  • 各单位：1字节=8位，半字长=2个字节，1字长=4个字节
  • 一个字符空间=1个字节
  • 一个整型=一个字长=4个字节
  • 单个字符用单引号，例如：'b'
  • 字符串用双引号，例如："A string"

Registers

寄存器

      • MIPS下一共有32个通用寄存器
      • 在汇编中，寄存器标志由$符开头
      • 寄存器表示能够有两种方式
      • 直接使用该寄存器对应的编号，例如：从$0到$31
      • 使用对应的寄存器名称，例如：$t1, $sp(详细含义，下文有表格
      对于乘法和除法分别有对应的两个寄存器$lo, $hi
      • 对于以上两者，不存在直接寻址；必需要经过mfhi("move from hi")以及mflo("move from lo")分别来进行访问对应的内容
      • 栈的走向是从高地址到低地址
MIPS下各个寄存器编号及描述：

Register
Numberui

寄存器编号this

Alternative 
Name编码

寄存器名

Description

寄存器用途
0
zero

the value 0

永远返回零
1
$at

(assembler temporary) reserved by the assembler

汇编保留寄存器（不可作其余用途）
2-3
$v0 - $v1

(values) from expression evaluation and function results

（Value简写）存储表达式或者是函数的返回值
4-7
$a0 - $a3

(arguments) First four parameters for subroutine.
Not preserved across procedure calls

（Argument简写）存储子程序的前4个参数，在子程序调用过程当中释放
8-15
$t0 - $t7

(temporaries) Caller saved if needed. Subroutines can use w/out saving.
Not preserved across procedure calls

（Temp简写）临时变量，同上调用时不保存
16-23
$s0 - $s7

(saved values) - Callee saved. 
A subroutine using one of these must save original and restore it before exiting.
Preserved across procedure calls

（Saved or Static简写？）静态变量？调用时保存
24-25
$t8 - $t9

(temporaries) Caller saved if needed. Subroutines can use w/out saving.
These are in addition to $t0 - $t7 above.
Not preserved across procedure calls.

（Temp简写）算是前面$0~$7的一个继续，属性同$t0~$t7
26-27
$k0 - $k1

reserved for use by the interrupt/trap handler

（breaK off简写？）中断函数返回值，不可作其余用途
28
$gp

global pointer. 
Points to the middle of the 64K block of memory in the static data segment.

（Global Pointer简写）指向64k(2^16)大小的静态数据块的中间地址（字面上好像就是这个意思，块的中间）
29
$sp

stack pointer 
Points to last location on the stack.

(Stack Pointer简写）栈指针，指向的是栈顶
30
$s8/$fp

saved value / frame pointer
Preserved across procedure calls

(Saved/Frame Pointer简写)帧指针
31
$ra

return address

返回地址，目测也是不可作其余用途

 

Program Structure

程序结构

  • 本质其实就只是数据声明+普通文本+程序编码（文件后缀为.s，或者.asm也行）
  • 数据声明在代码段以后（其实在其以前也没啥问题，也更符合高级程序设计的习惯）

Data Declarations

数据声明

  • 数据段以 .data为开始标志
  • 声明变量后，即在主存中分配空间。

Code

代码

  • 代码段以 .text为开始标志
  • 其实就是各项指令操做
  • 程序入口为main：标志（这个都同样啦）
  • 程序结束标志（详见下文）

Comments

注释

  • 同C系语言
      • MIPS程序的基本模板以下： 
        # Comment giving name of program and description of function
        # 说明下程序的目的和做用（其实和高级语言都差很少了）
# Template.s
#Bare-bones outline of MIPS assembly language program
        

           .data       # variable declarations follow this line
        　　　　                # 数据变量声明
                       # ...
														
           .text       # instructions follow this line	
		       # 代码段部分															
main:                  # indicates start of code (first instruction to execute)
                               # 主程序
                       # ...
									
# End of program, leave a blank line afterwards to make SPIM happy
        # 必须多给你一行，你才欢？

　　

Data Declarations

数据声明

format for declarations:

声明的格式：

name:	                storage_type	value(s)	
变量名：（冒号别少了）     数据类型         变量值
    • create storage for variable of specified type with given name and specified value
    • value(s) usually gives initial value(s); for storage type .space, gives number of spaces to be allocated
    • 一般给变量赋一个初始值；对于.space,须要指明须要多少大小空间（bytes)

Note: labels always followed by colon ( : )

example
	
var1:		.word	3	# create a single integer variable with initial value 3
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 声明一个 word 类型的变量 var1, 同时给其赋值为 3
array1:		.byte	'a','b'	# create a 2-element character array with elements initialized
				#   to  a  and  b
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 声明一个存储2个字符的数组 array1，并赋值 'a', 'b'
array2:		.space	40	# allocate 40 consecutive bytes, with storage uninitialized
				#   could be used as a 40-element character array, or a
				#   10-element integer array; a comment should indicate which!	
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 为变量 array2 分配 40字节（bytes)未使用的连续空间，固然，对于这个变量
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 到底要存放什么类型的值， 最好事先声明注释下！

 

 

 

Load / Store Instructions

加载/保存(也许这里写成读取/写入 可能更易理解一点) 指令集

  • 若是要访问内存，很差意思，你只能用 load 或者 store 指令
  • 其余的只能都一概是寄存器操做

load:

	lw	register_destination, RAM_source

#copy word (4 bytes) at source RAM location to destination register.

从内存中 复制 RAM_source 的内容到 对应的寄存器中

（lw中的'w'意为'word',即该数据大小为4个字节）

	lb	register_destination, RAM_source

#copy byte at source RAM location to low-order byte of destination register,
# and sign-e.g.tend to higher-order bytes

同上， lb 意为 load byte

store word:

	sw	register_source, RAM_destination

#store word in source register into RAM destination

#将指定寄存器中的数据 写入 到指定的内存中

	sb	register_source, RAM_destination

#store byte (low-order) in source register into RAM destination

load immediate:

	li	register_destination, value

#load immediate value into destination register

顾名思义，这里的 li 意为 load immediate

 

example:
	.data
var1:	.word	23		# declare storage for var1; initial value is 23
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 先声明一个 word 型的变量 var1 = 3;
	.text
__start:
	lw	$t0, var1	# load contents of RAM location into register $t0:  $t0 = var1
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 令寄存器 $t0 = var1 = 3;
	li	$t1, 5		# $t1 = 5   ("load immediate")
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 令寄存器 $t1 = 5;
	sw	$t1, var1	# store contents of register $t1 into RAM:  var1 = $t1
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 # 将var1的值修改成$t1中的值： var1 = $t1 = 5;
	done

 

 

Indirect and Based Addressing

当即与间接寻址

load address:

直接给地址

	la	$t0, var1
  • copy RAM address of var1 (presumably a label defined in the program) into register $t0

indirect addressing:

地址是寄存器的内容（能够理解为指针）

	lw	$t2, ($t0)
  • load word at RAM address contained in $t0 into $t2
	sw	$t2, ($t0)
  • store word in register $t2 into RAM at address contained in $t0

based or indexed addressing：

+偏移量

	lw	$t2, 4($t0)
  • load word at RAM address ($t0+4) into register $t2
  • "4" gives offset from address in register $t0
	sw	$t2, -12($t0)
  • store word in register $t2 into RAM at address ($t0 - 12)
  • negative offsets are fine

Note: based addressing is especially useful for:

没必要多说，要用到偏移量的寻址，基本上使用最多的场景无非两种：数组，栈。

  • arrays; access elements as offset from base address
  • stacks; easy to access elements at offset from stack pointer or frame pointer

 

example：
栗子：

		.data
array1:		.space	12		#  declare 12 bytes of storage to hold array of 3 integers
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #  定义一个 12字节 长度的数组 array1, 容纳 3个整型
		.text
__start:	la	$t0, array1	#  load base address of array into register $t0
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #  让 $t0 = 数组首地址
		li	$t1, 5		#  $t1 = 5   ("load immediate")
		sw $t1, ($t0)		#  first array element set to 5; indirect addressing
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　# 对于 数组第一个元素赋值 array[0] = $1 = 5
		li $t1, 13		#   $t1 = 13
		sw $t1, 4($t0)		#  second array element set to 13
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　# 对于 数组第二个元素赋值 array[1] = $1 = 13 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　# (该数组中每一个元素地址相距长度就是自身数据类型长度，即4字节， 因此对于array+4就是array[1])
		li $t1, -7		#   $t1 = -7
		sw $t1, 8($t0)		#  third array element set to -7
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　# 同上， array+8 = （address[array[0])+4）+ 4 = address(array[1]) + 4 = address(array[2])
		done

 

 

Arithmetic Instructions

算术指令集

  • 最多3个操做数
  • 再说一遍，在这里，操做数只能是寄存器，绝对不容许出现地址
  • 全部指令统一是32位 = 4 * 8 bit = 4bytes = 1 word

  add $t0,$t1,$t2 # $t0 = $t1 + $t2; add as signed (2's complement) integers

		sub	$t2,$t3,$t4	#  $t2 = $t3 Ð $t4
		addi	$t2,$t3, 5	#  $t2 = $t3 + 5;   "add immediate" (no sub immediate)
		addu	$t1,$t6,$t7	#  $t1 = $t6 + $t7;   add as unsigned integers
		subu	$t1,$t6,$t7	#  $t1 = $t6 + $t7;   subtract as unsigned integers

		mult	$t3,$t4		#  multiply 32-bit quantities in $t3 and $t4, and store 64-bit
					#  result in special registers Lo and Hi:  (Hi,Lo) = $t3 * $t4
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　运算结果存储在hi,lo（hi高位数据， lo地位数据）
		div	$t5,$t6		#  Lo = $t5 / $t6   (integer quotient)
					#  Hi = $t5 mod $t6   (remainder)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　商数存放在 lo, 余数存放在 hi
		mfhi	$t0		#  move quantity in special register Hi to $t0:   $t0 = Hi
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  不能直接获取 hi 或 lo中的值， 须要mfhi, mflo指令传值给寄存器
		mflo	$t1		#  move quantity in special register Lo to $t1:   $t1 = Lo
					#  used to get at result of product or quotient

		move	$t2,$t3	#  $t2 = $t3

 

 

Control Structures

控制流

Branches

分支（if else系列）

  • comparison for conditional branches is built into instruction
		b	target		#  unconditional branch to program label target
		beq	$t0,$t1,target	#  branch to target if  $t0 = $t1
		blt	$t0,$t1,target	#  branch to target if  $t0 < $t1
		ble	$t0,$t1,target	#  branch to target if  $t0 <= $t1
		bgt	$t0,$t1,target	#  branch to target if  $t0 > $t1
		bge	$t0,$t1,target	#  branch to target if  $t0 >= $t1
		bne	$t0,$t1,target	#  branch to target if  $t0 <> $t1

Jumps

跳转（while, for, goto系列）

		j	target	　　　　 #  unconditional jump to program label target
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    看到就跳， 不用考虑任何条件
		jr	$t3		#  jump to address contained in $t3 ("jump register")
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 相似相对寻址，跳到该寄存器给出的地址处

Subroutine Calls

子程序调用

subroutine call: "jump and link" instruction

	jal	sub_label	#  "jump and link"
  • copy program counter (return address) to register $ra (return address register)
  • 将当前的程序计数器保存到 $ra 中
  • jump to program statement at sub_label

subroutine return: "jump register" instruction

	jr	$ra	#  "jump register"
  • jump to return address in $ra (stored by jal instruction)
  • 经过上面保存在  $ra 中的计数器返回调用前

Note: return address stored in register $ra; if subroutine will call other subroutines, or is recursive, return address should be copied from $ra onto stack to preserve it, since jal always places return address in this register and hence will overwrite previous value

若是说调用的子程序中有调用了其余子程序，如此往复， 则返回地址的标记就用 栈（stack） 来存储, 毕竟 $ra 只有一个， （哥哥我分身乏术啊~~）。

 

 

System Calls and I/O (SPIM Simulator)

  系统调用 与 输入/输出(主要针对SPIM模拟器）

 （本人使用的是Mars 4.4，也通用--！)

 

  • 经过系统调用实现终端的输入输出，以及声明程序结束
  • 学会使用 syscall
  • 参数所使用的寄存器：$v0， $a0,  $a1
  • 返回值使用： $v0

下表给出了系统调用中对应功能，代码，参数机返回值

Service

Code
in $v0

对应功能的调用码

Arguments

所需参数

Results

返回值

print_int

打印一个整型
$v0 = 1

$a0 = integer to be printed

将要打印的整型赋值给 $a0

  

print_float

打印一个浮点
$v0 = 2

$f12 = float to be printed

将要打印的浮点赋值给 $f12

  

print_double

打印双精度
$v0 = 3

$f12 = double to be printed

将要打印的双精度赋值给 $f12

  
print_string
$v0 = 4

$a0 = address of string in memory

将要打印的字符串的地址赋值给 $a0

  
read_int
$v0 = 5
 

integer returned in $v0

将读取的整型赋值给 $v0

read_float

读取浮点
$v0 = 6
 

float returned in $v0

将读取的浮点赋值给 $v0

read_double

读取双精度
$v0 = 7
 

double returned in $v0

将读取的双精度赋值给 $v0

read_string

读取字符串
$v0 = 8

$a0 = memory address of string input buffer

将读取的字符串地址赋值给 $a0
$a1 = length of string buffer (n)

将读取的字符串长度赋值给 $a1

  

sbrk

应该同C中的sbrk()函数

动态分配内存
$v0 = 9

$a0 = amount

须要分配的空间大小（单位目测是字节 bytes）

address in $v0

将分配好的空间首地址给 $v0

exit

退出
$v0 =10
 你懂得  
    • 大概意思是要打印的字符串应该有一个终止符，估计相似C中的'\0', 在这里咱们只要声明字符串为 .asciiz 类型便可。下面给个我用Mars4.4的提示：
    • .ascii 与 .asciiz惟一区别就是 后者会在字符串最后自动加上一个终止符， 仅此而已
    • The read_int, read_float and read_double services read an entire line of input up to and including the newline character.
    • 对于读取整型， 浮点型，双精度的数据操做， 系统会读取一整行，（也就是说以换行符为标志 '\n'）
    • The read_string service has the same semantices as the UNIX library routine fgets.
      • It reads up to n-1 characters into a buffer and terminates the string with a null character.
      • If fewer than n-1 characters are in the current line, it reads up to and including the newline and terminates the string with a null character.
      • 这个很少说了，反正就是输入过长就截取，太短就这样，最后都要加一个终止符。
    • The sbrk service returns the address to a block of memory containing n additional bytes. This would be used for dynamic memory allocation.
    • 上边的表里已经说得很清楚了。
    • The exit service stops a program from running.
    • 你懂得。。。
e.g. Print out integer value contained in register $t2
栗子：  打印一个存储在寄存器 $2 里的整型

 li $v0, 1 # load appropriate system call code into register $v0;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　声明须要调用的操做代码为 1 （print_int) 并赋值给 $v0
						# code for printing integer is 1
 move $a0, $t2 # move integer to be printed into $a0: $a0 = $t2
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　将要打印的整型赋值给 $a0 syscall # call operating system to perform operation


e.g. Read integer value, store in RAM location with label int_value (presumably declared in data section)
栗子：  读取一个数，而且存储到内存中的 int_value 变量中

		li $v0, 5 # load appropriate system call code into register $v0; # code for reading integer is 5
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　声明须要调用的操做代码为 5 （read_int) 并赋值给 $v0　 syscall # call operating system to perform operation、
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　通过读取操做后， $v0 的值已经变成了 输入的 5 sw $v0, int_value # value read from keyboard returned in register $v0; # store this in desired location
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　经过写入（store_word)指令 将 $v0的值（5） 存入 内存中　　　　　　　　　

e.g. Print out string (useful for prompts)
栗子：  打印一个字符串(这是完整的，其实上面栗子均可以直接替换main: 部分，都能直接运行) .data string1 .asciiz "Print this.\n" # declaration for string variable, # .asciiz directive makes string null terminated .text main: li $v0, 4 # load appropriate system call code into register $v0; # code for printing string is 4
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  打印字符串， 赋值对应的操做代码 $v0 = 4 la $a0, string1 # load address of string to be printed into $a0
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　将要打印的字符串地址赋值  $a0 = address(string1) syscall # call operating system to perform print operation 
 e.g. To indicate end of program, use exit system call; thus last lines of program should be:
执行到这里， 程序结束， 立马走人， 管他后边洪水滔天~~ li $v0, 10 　　　　 # system call code for exit = 10 syscall # call operating sys

-------------------------------------------------我是那个分呀分呀分割线--------------------------------------------------------------------------

OK, 十分轻松又愉快的MIPS入门之旅到此告一段落， 下面我把用到的一些软件和这篇文章的原文连接贴到下边，有须要的， 各位客官自取哈~~~

1.Mars4.4
2.PCSpim Simulator
3.《MIPS Qucik Tutorial》

你都看到这里了， 难道还怕点那么一个赞么~~~~~
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