MIPS 汇编程序设计

sysu_cuixj

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文章标签：汇编 1024程序员节

于 2024-10-24 15:12:29 首次发布

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MIPS 汇编程序设计

editor：xingjiancui

在学习 MIPS 汇编程序设计之前，必须知道一些关于 MIPS 架构的特性

MIPS 一个 Word 占 4 Byte
MIPS 结构的每条指令长度都是 1 Word = 32 bit。

寄存器

MIPS 寄存器文件包含 32 个通用寄存器，32 个协处理器1（浮点寄存器）。每个寄存器都是 32 位宽。

通用寄存器

这些寄存器可以用于存储数据和地址。

$0 或 $zero：
- 始终为 0。
- 不能被修改。
- 常用于常量 0 的表示。
$1 或 $at：
- 保留给汇编器使用。
- 通常用于汇编器临时变量。
$2 到 $3 或 $v0 到 $v1：
- 用于存储函数调用的返回值。
- $v0 通常用于返回整数值。
- $v1 用于返回其他类型的值。
- $v0 用于存储系统调用号
- 在用户交互中，$v0 用于存储返回的整数类型
$4 到 $7 或 $a0 到 $a3：
- 用于传递函数的前 4 个参数。
- $a0 到 $a3 分别对应第 1 到第 4 个参数。
- $a0 通常用于打印整数、字符、字符串
- 在用户交互中，$a0 用于指定读取的字符串存储到的内存地址，并用 a1 告诉操作系统允许的存储空间的最大值
$8 到 $15 或 $t0 到 $t7：
- 临时寄存器。
- 用于存储临时数据。
- 在函数调用时不会被保存，因此函数调用后可能会被覆盖。
- 调用者负责保存这些寄存器的内容，如果需要在函数调用后恢复。
$16 到 $23 或 $s0 到 $s7：
- 保存寄存器。
- 用于存储函数中的局部变量。
- 在函数调用时需要保存和恢复。
- 被调用者负责保存这些寄存器的内容，并在函数返回时恢复。
$24 到 $25 或 $t8 到 $t9：
- 临时寄存器。
- 用于存储临时数据。
- 在函数调用时不会被保存，因此函数调用后可能会被覆盖。
$26 到 $27 或 $k0 到 $k1：
- 保留给操作系统内核使用。
- 通常用于中断处理。
$28 或 $gp：
- 全局指针。
- 指向全局数据区的中间位置。
$29 或 $sp：
- 栈指针。
- 指向当前栈顶。
$30 或 $fp：
- 帧指针。
- 指向当前栈帧的基址。
$31 或 $ra：
- 返回地址寄存器。
- 存储函数调用的返回地址。

$t 和 $s的使用约定

何时使用 $t 寄存器
- 临时数据：当需要存储临时数据时，使用 $t 寄存器。这些数据通常在函数内部使用，不需要在函数调用时保存。
- 计算中间结果：在进行计算时，使用 $t 寄存器存储中间结果。
- 不需要跨函数调用保存的数据：如果数据不需要在函数调用后恢复，使用 $t 寄存器。
何时使用 $s 寄存器
- 局部变量：当需要存储函数中的局部变量时，使用 $s 寄存器。这些变量需要在函数调用时保存。
- 状态信息：当需要存储函数的状态信息时，使用 $s 寄存器。这些信息需要在函数调用时保存。
- 需要跨函数调用保存的数据：如果数据需要在函数调用后恢复，使用 $s 寄存器。

协处理器1（浮点寄存器）

MIPS 架构的浮点寄存器可以用于存储单精度浮点数（32 位）或双精度浮点数（64 位）。其中，单精度浮点数的存储需要一个协处理器1，双精度浮点数的存储需要两个协处理器1

$f0 到 $f1：
- 用于存储浮点运算的结果。
- $f0 通常用于存储单精度结果。
- $f1 通常用于存储双精度结果。
- 在用户交互中，$f0 用于存储返回的 float 类型，$f0 : f1 用于存储返回的 double 类型
$f2 到 $f3：
- 用于存储浮点运算的临时结果。
$f4 到 $f11：
- 用于存储浮点运算的参数。
- 通常用于传递函数调用的参数。
$f12 到 $f15：
- 用于存储浮点运算的参数。
- 通常用于传递函数调用的参数。
- $f12 通常用于打印单精度和双精度浮点数
$f16 到 $f19：
- 用于存储浮点运算的临时结果。
$f20 到 $f31：
- 用于存储浮点运算的临时结果或保存寄存器。
- 在函数调用时需要保存和恢复。

特殊寄存器

HI 和 LO：
- 用于存储乘法和除法的结果。
- HI 存储乘法的高 32 位或除法的余数。
- LO 存储乘法的低 32 位或除法的商。

数据类型

在MIPS汇编语言中，数据类型主要用于定义和存储数据。以下是对几种数据类型的详细介绍，这几乎涵盖了所有的数据类型：

byte：
- 定义：用于存储8位（1字节）的整数。也可用来存储单个字符
- 示例：
```
.byte 0x41    # 存储字节值0x41
.byte 65      # 存储字节值65
```
- 用途：常用于存储单个字符或需要较小数据存储的情况。
half：
- 定义：用于存储16位（2字节）的整数。
- 示例：
```
.half 0x1234  # 存储半字值0x1234
.half 4660    # 存储半字值4660
```
- 用途：用于需要中等大小数据存储的情况。
word：
- 定义：用于存储32位（4字节）的整数。
- 示例：
```
.word 0x12345678  # 存储字值0x12345678
.word 305419896   # 存储字值305419896
```
- 用途：这是MIPS中最常用的数据类型，用于存储大多数整数数据。
ascii：
- 定义：用于存储ASCII字符序列。
- 示例：
```
.ascii "Hello, World!"  # 存储字符串"Hello, World!"
```
- 用途：用于存储字符数据，但不以NULL字符结尾。
- 注意：被打印的字符序列必须用 " " 包围
asciiz：
- 定义：用于存储以NULL字符（0x00）结尾的ASCII字符串。
- 示例：
```
.asciiz "Hello, World!"  # 存储字符串"Hello, World!"并以NULL字符结尾
```
- 用途：用于存储C风格字符串，即以NULL字符结尾的字符串。
float：
- 定义：用于存储32位（4字节）的单精度浮点数。
- 示例：
```
.float 3.14159  # 存储单精度浮点数3.14159
```
- 用途：用于存储单精度浮点数，遵循IEEE 754标准。
double：
- 定义：用于存储64位（8字节）的双精度浮点数。由于每个浮点寄存器都是32位，每个双精度浮点数需要用两个浮点寄存器来存储
- 示例：
```
.double 3.141592653589793  # 存储双精度浮点数3.141592653589793
```
- 用途：用于存储双精度浮点数，遵循IEEE 754标准。

space + num（伪指令）:

定义：用于在数据段中预留一定数量的字节

示例：

myString:  .space 20	# 存储最大长度为20得字符串
myArray;   .space 12    # 存储3个整数

系统调用

系统调用号都存在 $v0 寄存器中
用于打印的整数、字符、字符串存在 $a0 寄存器中
用于打印的单精度浮点数、双精度浮点数存在 $f12 寄存器中

系统调用的基本流程:

系统调用号：用户程序将系统调用号加载到特定的寄存器中（如 MIPS 中的 $v0 寄存器）。
参数传递：用户程序将系统调用的参数加载到特定的寄存器中（如 MIPS 中的 $a0 到 $a3 寄存器）。
syscall 指令：执行 syscall 指令，触发操作系统内核的系统调用处理程序。
内核处理：操作系统内核根据系统调用号执行相应的服务，并将结果返回给用户程序

系统调用号

打印整数 (print_int)

系统调用号：1

示例：

li $v0, 1       # 系统调用号1，表示打印整数
li $a0, 42      # 要打印的整数
syscall         # 执行系统调用

打印浮点数 (print_float)

系统调用号：2

示例：

li $v0, 2       # 系统调用号2，表示打印浮点数
l.s $f12, float_value  # 加载浮点数到$f12寄存器
syscall         # 执行系统调用

打印双精度浮点数 (print_double)

系统调用号：3

示例：

li $v0, 3       # 系统调用号3，表示打印双精度浮点数
l.d $f12, double_value  # 加载双精度浮点数到$f12寄存器
syscall         # 执行系统调用

打印字符串 (print_string)

系统调用号：4

示例：

li $v0, 4       # 系统调用号4，表示打印字符串
la $a0, message # 加载字符串地址到$a0寄存器
syscall         # 执行系统调用

打印字符 (print_char)

系统调用号：11

示例：

li $v0, 11      # 系统调用号11，表示打印字符
li $a0, 'A'     # 要打印的字符
syscall         # 执行系统调用

读取整数 (read_int)

系统调用号：5
存储：返回值存储到 $v0

示例：

li $v0, 5       # 系统调用号5，表示读取整数
syscall         # 执行系统调用，返回值存储到$v0
move $t0, $v0   # 将读取的整数保存到$t0寄存器

读取浮点数 (read_float)

系统调用号：6
存储：返回值存储到 $f0

示例：

li $v0, 6       # 系统调用号6，表示读取浮点数
syscall         # 执行系统调用，返回值存储到$f0

读取双精度浮点数 (read_double)

系统调用号：7

示例：

li $v0, 7       # 系统调用号7，表示读取双精度浮点数
syscall         # 执行系统调用
mov.d $f2, $f0  # 将读取的双精度浮点数保存到$f2寄存器

读取字符串 (read_string)

系统调用号：8

示例：

li $v0, 8       # 系统调用号8，表示读取字符串
la $a0, buffer  # 加载缓冲区地址到$a0寄存器
li $a1, 20      # 设置缓冲区大小
syscall         # 执行系统调用

读取字符 (read_char)

系统调用号：12

示例：

li $v0, 12      # 系统调用号12，表示读取字符
syscall         # 执行系统调用
move $t0, $v0   # 将读取的字符保存到$t0寄存器

退出程序 (exit)

系统调用号：10

示例：

li $v0, 10      # 系统调用号10，表示退出程序
syscall         # 执行系统调用

运算指令

move：用于两个寄存器之间的数据移动

加法

add 指令
- 全称: Add
- 功能: 将两个寄存器的值相加，并将结果存储在目标寄存器中。
- 操作数: 3个寄存器（目标寄存器、源寄存器1、源寄存器2）。
- 示例:
```
add $t0, $t1, $t2  # $t0 = $t1 + $t2
```
- 溢出检测: add 指令会检测溢出（overflow），如果发生溢出，会触发异常。
addu 指令
- 全称: Add Unsigned
- 功能: 将两个寄存器的值相加，并将结果存储在目标寄存器中。
- 操作数: 3个寄存器（目标寄存器、源寄存器1、源寄存器2）。
- 示例:
```
addu $t0, $t1, $t2  # $t0 = $t1 + $t2
```
- 溢出检测: addu 指令不会检测溢出，即使发生溢出也不会触发异常。
addi 指令
- 全称: Add Immediate
- 功能: 将一个寄存器的值与一个立即数相加，并将结果存储在目标寄存器中。
- 操作数: 2个寄存器（目标寄存器、源寄存器）和一个立即数。
- 示例:
```
addi $t0, $t1, 100  # $t0 = $t1 + 100
```
- 溢出检测: addi 指令会检测溢出，如果发生溢出，会触发异常。
addiu 指令
- 全称: Add Immediate Unsigned
- 功能: 将一个寄存器的值与一个立即数相加，并将结果存储在目标寄存器中。
- 操作数: 2个寄存器（目标寄存器、源寄存器）和一个立即数。
- 示例:
```
addiu $t0, $t1, 100  # $t0 = $t1 + 100
```
- 溢出检测: addiu 指令不会检测溢出，即使发生溢出也不会触发异常。
add.s 指令
- 全称: Add Single-Precision
- 功能: 将两个单精度浮点数的值相加，并将结果存储在目标寄存器中。
- 操作数: 3个浮点寄存器（目标寄存器、源寄存器1、源寄存器2）。
- 示例:
```
add.s $f0, $f1, $f2  # $f0 = $f1 + $f2 (单精度浮点加法)
```
- 解释: 将 $f1 和 $f2 中的单精度浮点数相加，结果存储在 $f0 中。
add.d 指令
- 全称: Add Double-Precision
- 功能: 将两个双精度浮点数的值相加，并将结果存储在目标寄存器中。
- 操作数: 3个浮点寄存器（目标寄存器、源寄存器1、源寄存器2）。
- 示例:
```
add.d $f0, $f2, $f4  # $f0 = $f2 + $f4 (双精度浮点加法)
```
- 解释: 将 $f2 和 $f4 中的双精度浮点数相加，结果存储在 $f0 中。