汇编语言与计算机系统结构笔记18】MIPS指令集与汇编程序设计 & 异常处理

本次笔记内容：
28.MIPS指令集与汇编程序设计-2
补充：MIPS32异常处理

注：我找到了对应内容的课件，请见我于GitHub的CS笔记仓库。

本节课对应幻灯片：汇编语言程式设计-MIPS.pdf，第49页起。

在B站视频中，缺了一节课，即 ‘MIPS32异常处理’ ，感谢 UP 主 东南偏南2018 做的补充：汇编语言程序设计（清华大学张悠慧）P27。

我们讲 MIPS32 ，主要集中在其特色部分。

文章目录

• • P49 定长指令造成了一些困扰
  • P51 指令编码
  • P58 MIPS汇编指示（Directives）
  • • 示例一：分别计算整数数组中正数、负数的和
    • 示例二：阶乘（delay slot关闭）
  • MIPS32异常处理
  • • 异步异常（中断）
    • 异常处理向量（Vectors）
    • 精确异常处理（MIPS支持）
    • MIPS32的异常种类
    • MIPS异常处理基本过程
    • 异常返回
    • 中断
    • • MIPS处理器的中断控制设计
    • SPIM模拟器支持的异常处理流程
    • • Status寄存器
      • Cause寄存器
    • 异常处理实例

 

P49 定长指令造成了一些困扰

如上。某些操作数的限制（如立即数宽度）增加了汇编编程难度。为降低难度，MIPS汇编器会做一些预处理。

如上，at 寄存器保留给汇编器专用，就用在了这里。因此一般情况下不要手动使用。

对于 li $3, -5 ，其意义其实就是因为 -5 不大，www.rsxedu.com因此直接用 addiu 装到 $3 中。

对于 li $4, 0x8000 正好放得下 16 位中，因此转换的方法较多，这里转换为 ori 或指令 ，是可以的。

对于 0x120000 ，把 12 拿出来，放到高 16 位对应的位置，低 16 位清零。

对于 0x12345 ，对于低 16 位不全为 0 的，转换为两条指令 lui 与 ori 。

在如上的例子中，对于第三条 lw $2, addr ，这个数宽度较大，至少得把这个指令拆成两条：

• %hi 相当于汇编中的宏，取高的半字（16位）；
• %lo 则是取低的半字。

对于 sw $2, addr($3) ，在基址上加上偏移。

P51 指令编码

三种类型：I-Type、J-Type、R-Type。

Op 段编码如上。其他段编码不再复制，详见 ppt 。

最终，我们要把段编码总结成一个真值表，www.meimeitu8.com以此构建电路、控制信号。

P58 MIPS汇编指示（Directives）

注意这里的 word 是 32 byte 。

.data 是一般的数据段，存了 3 个 word ，初值分别是 1，2，3。

.text 定义了 func 的入口地址。

.bss 非初始化的变量在其中，还分为全局可见的和 local 。与 x86 类似。

数据类型定义如上。

这个 .extern 与 C 中的不太一样。

比如，对于 lw "offset" ，偏移量 16 位宽可能不太够。假设地址不够，我们可以如之前一样，换成 2 条指令。但是这样太麻烦了，MIPS32做了简化：

• 有一个全局指针$gp；
• 程序初始化时，$gp已经初始化好；
• 我们把全局变量放在$gp附近，这样只要变动$gp一点，就可以访问全局变量了。
• 相当于$gp是个轴base。

因此，用 .extern 定义了全局变量，让其在 $.gp 上下 64 byte 范围。

示例一：分别计算整数数组中正数、负数的和

先声明数据段；遍历一遍数据段；进入 main 。

这里的 syscall 是模拟器提供的 syscall 。在 SPIM 这么简单的一个模拟器中，做不到一个模拟一个 OS ，只是做了一个模仿。

这里与计组的“控制冲突”结合起来了，在跳转jal后要有nop或无关指令用于 delay slot 。

接着，老师操作了 SPIM 。

示例二：阶乘（delay slot关闭）

如上，在模拟器中还是尊重了MIPS的规范，建立了一个栈帧。

如上，把栈顶的地址$sp向下拉了 32 。

MIPS32异常处理

关于同步异常需要自己看 ppt 了解。

异步异常（中断）

由“外部事件”引起，往往是外设触发。如：IO中断、Hard Reset、Soft Reset。

重新执行当前指令或者下一条指令。

异常处理向量（Vectors）

每类异常都有其编号以及异常处理入口地址，往往在内存中构成一张地址表。所以称之为向量。

精确异常处理（MIPS支持）

精确异常指的就是——在处理异常时，产生异常指令之前的指令都应执行完毕；该指令之后（包括该指令本身）的指令则都不处理。

• 需要精确记录异常的位置（指令）
• • Branch Delay Slot
• 需要取消后续指令
• 需要正确恢复执行

MIPS32的异常种类

MIPS异常处理基本过程

其实比较复杂，这里讲一个通用的情况。

• 保存现场——在异常程序入口，硬件只记录了被打断程序的很少量的信息，因此需要保留相关的控制寄存器等值使得异常处理程序能够执行（k0 、k1寄存器专门保留给异常处理使用）；
• 判断不同的异常——查询Cause寄存器，根据其不同的异常原因来进行不同的处理流程；
• 构造异常处理内存空间——异常处理程序可能由高级语言书写，需要保留通用寄存器，构造堆\栈存储区（可选）；
• 处理异常——……
• 返回——恢复寄存器，清零Cause寄存器，将Status寄存器的相关位置1以开中断。

异常返回

一般而言，异常处理代码工作在核心态，而被中断的程序是在用户态，所以异常返回意味着状态转换。

◦ 这个转换与指令返回必须“同时”完成，即用一条指令完成。

• 为什么？加入一个当前程序是工作在核心态，标识位核心态；如果先把核心态标识去掉，变成用户态；后面再执行核心态的 ERET 指令，这就非法了。

ERET指令：

• 返回EPC指向的地址：一般来说 EPC 或 EPC-4 是被中断的那个地址
• Status寄存器修改

中断

中断是异步发生的，是来自处理器外部的I/O设备的信号引发的。

硬件中断不是由任何一条专门的指令造成的：

• I/O设备，比如网络适配器，磁盘控制器等通过处理器芯片上的一个引脚发送信号，并将中断号放到系统总线上，用来触发中断，这个异常号标识了引起中断的设备。

MIPS处理器的中断控制设计

在中断发生时，如果指令已经完成了 MEM 阶段的操作，则需保证该指令执行完毕。

反之，则丢弃这条指令的工作。

除 NMI 外，所有的内部或外部硬件中断(Hardware Interrupt)均共用这一个异常向量(Exception Vector)。

P84 嵌套异常比较复杂，不细讲。

SPIM模拟器支持的异常处理流程

SPIM实现了部分CP0寄存器。

异常中断后，如果能够正常返回之前的指令，那么返回的地址存储在 EPC 中。

Status寄存器

SPIM 实现了 Status 寄存器的部分功能。

Cause寄存器

用于记录发生异常的原因。

Branch 来决定返回的指令地址是 EPC 还是 EPC-4 。

异常处理实例

这节课也给大家留了一个作业，关于异常处理。

为什么不存储在栈上？

因为问题可能出现在栈上，因此现在不能相信栈。

为什么把 Cause 右移两位？见 Cause寄存器 结构。

老师用 SPIM 做了些演示。