MIPS汇编语言详解

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MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，由MIPS计算机系统（现在是MIPS Technologies）开发。它以其简单性和效率而闻名，特别适用于嵌入式系统、网络设备和其他专业应用。

在MIPS汇编语言中，.data 和 .text 是两种伪指令，用于指示汇编器如何处理代码的不同部分。

1. .data：
   • .data 伪指令用于声明数据段（data segment），即用于存储程序中静态数据的部分。
   • 在 .data 部分，程序员可以定义各种数据，如变量、数组、字符串等。
   • 数据定义通常使用 .word、.byte 等指令，以指定数据的类型和初始值。
   • 在程序执行时，.data 部分的数据会被加载到内存中的数据段，供程序使用。
2. .text：
   • .text 伪指令用于声明代码段（text segment），即存储程序执行指令的部分。
   • 在 .text 部分，程序员编写程序的指令序列，定义程序的逻辑和功能。
   • 代码段通常包括各种指令，如算术运算、逻辑运算、条件分支、函数调用等。
   • 在程序执行时，CPU会从代码段中逐条读取指令，并执行相应的

一、常见指令

当谈及MIPS指令集架构时，可以将指令分为三种主要类型：R型指令（Register）、I型指令（Immediate）、J型指令（Jump）。每种类型的指令都有不同的功能和用途。下面简要介绍一下每种类型的指令及其常见的指令：

1.R型指令（寄存器型指令）：

这种指令类型主要用于在寄存器之间执行算术运算、逻辑运算和数据移动操作。

类型

• add：将两个寄存器中的值相加并将结果存储在目标寄存器中。
• sub：将一个寄存器中的值减去另一个寄存器中的值，并将结果存储在目标寄存器中。
• and：对两个寄存器中的值执行按位与操作，并将结果存储在目标寄存器中。
• or：对两个寄存器中的值执行按位或操作，并将结果存储在目标寄存器中。
• slt：如果一个寄存器中的值小于另一个寄存器中的值，则将1存储在目标寄存器中；否则，将0存储在目标寄存器中。

格式

• opcode：操作码，对于R型指令，这个字段总是0。
• rs：第一个源寄存器。
• rt：第二个源寄存器。
• rd：目标寄存器。
• shamt：移位量，对于算术和逻辑运算，这个字段通常是0。
• funct：功能码，决定具体的操作。
• R型指令的格式如下：

add 指令将两个寄存器中的值相加，并将结果存储在目标寄存器中，将寄存器$t1和$t2中的值相加，并将结果存储在寄存器$t0中。add rd, rs, rt

• 例子：add $t0, $t1, $t2
• 二进制表示（假设$t0=$8，$t1=$9，$t2=$10）：

2. I型指令（立即数型指令）：

这种指令类型主要用于执行带有立即数（常数）的操作，例如加载和存储数据、条件分支等典型的I型指令包括：

类型

• lw：从内存中加载一个字（32位）数据到寄存器中。
• sw：将寄存器中的字（32位）数据存储到内存中。
• beq：如果两个寄存器中的值相等，则跳转到指定的目标地址。
• bne：如果两个寄存器中的值不相等，则跳转到指定的目标地址。
• addi：将一个寄存器中的值与一个立即数相加，并将结果存储在目标寄存器中。

格式

• opcode：操作码，决定指令的类型。
• rs：源寄存器。
• rt：目标寄存器。
• immediate：立即数，用于算术运算或地址偏移。
• addi 指令:将寄存器rs中的值与立即数相加，并将结果存储在目标寄存器rt中。格式：addi rt, rs, immediate

二进制表示addi $t0, $t1, 10（假设$t0=$8，$t1=$9）：

​​​​​​​3. J型指令（跳转型指令）：

这种指令类型主要用于实现无条件跳转和跳转到子程序的操作。

类型

• j：无条件跳转到指定的目标地址。
• jal：跳转并将当前指令的地址存储在$ra寄存器中，通常用于函数调用。

格式

• 示例：j 指令
• 功能：无条件跳转到指定的目标地址。
• 格式：j address
• 例子：j 0x00
• 解释：跳转到地址0x00处继续执行指令。

4. Function的定义与使用

1. 函数定义：在MIPS汇编语言中，函数的定义通常包括两部分：函数的标签和函数的代码体。函数标签用于标识函数的入口点，而函数的代码体则包含了实现函数功能的具体指令序列。

   func_name: # 函数代码体 # ... 

2. 函数调用：要调用函数，可以使用jal（Jump and Link）指令来实现。jal指令会跳转到指定函数的入口点，并将下一条指令的地址（即函数返回地址）存储在寄存器$ra中。在函数返回时，可以使用jr（Jump Register）指令来返回到函数调用点。

   jal func_name # 调用函数func_name # 函数返回后的代码 

3. 参数传递：函数可以接收参数，参数通常通过寄存器传递。在调用函数前，需要将参数值存储在指定的参数寄存器中。在函数内部，可以通过读取这些寄存器来获取参数值。

   # 调用函数时，将参数存储在参数寄存器中 li $a0, 10 # 将参数值10存储在$a0寄存器中 jal func_name # 调用函数func_name 

4. 返回值传递：函数可以返回值，返回值通常通过寄存器传递。在函数结束时，需要将返回值存储在指定的返回值寄存器中，通常是$v0和$v1寄存器。

   func_name: # 函数代码体 # 将返回值存储在$v0寄存器中 li $v0, 42 # 将返回值设置为42 jr $ra # 返回到函数调用点 

5. 保存和恢复现场：在调用函数时，为了避免函数修改调用者的寄存器值，通常需要保存和恢复现场。可以使用栈（stack）来保存和恢复寄存器的值。

   func_name: # 保存现场 addi $sp, $sp, -4 # 栈指针减4 sw $ra, 0($sp) # 将返回地址存储在栈中 # 函数代码体 # ... # 恢复现场 lw $ra, 0($sp) # 将返回地址从栈中加载到$ra寄存器 addi $sp, $sp, 4 # 栈指针加4 jr $ra # 返回到函数调用点 

二、MIPS与机器语言的相互转换

MIPS指令是通过将指令的操作码（opcode）和操作数字段编码成二进制形式来转换成对应的机器码。具体的转换过程取决于指令的类型（R型、I型、J型等）以及指令的具体格式。

1. R型指令转换：
   • R型指令的机器码通常由以下字段组成：操作码（opcode）、源寄存器（rs）、目标寄存器（rt）、操作数（rd）、移位量（shamt）和功能码（funct）。
   • 操作码（opcode）通常是6位，用于指示指令类型。
   • 源寄存器（rs）、目标寄存器（rt）、操作数（rd）和移位量（shamt）通常是5位，用于指示操作数寄存器的编号或立即数。
   • 功能码（funct）通常是6位，用于指示具体的操作，如加法、按位与等。
   • 按照MIPS指令集规范，每个指令的各个字段的位数和含义是固定的，因此根据指令的具体类型和操作，可以将这些字段按照指定的位数编码成对应的机器码。
2. I型指令转换：
   • I型指令的机器码通常由以下字段组成：操作码（opcode）、源寄存器（rs）、目标寄存器（rt）和立即数（immediate）。
   • 立即数（immediate）通常是16位，用于指示立即数操作的具体值。
   • 其他字段的位数和含义与R型指令类似。
   • 在转换过程中，操作码、寄存器编号和立即数按照指定的位数进行编码。
3. J型指令转换：
   • J型指令的机器码通常由以下字段组成：操作码（opcode）和目标地址（target address）。
   • 目标地址（target address）通常是26位，用于指示跳转目标的地址。
   • 操作码的位数和含义与其他指令类型类似。
   • 在转换过程中，操作码和目标地址按照指定的位数进行编码。