MIPS指令系统(2010-4-22)

1、MIPS指令系统TANZHIHU汇编语言n CPU主要工作：执行指令n 指令是CPU执行最主要的操作n 不同类型的CPU执行不同指令集pInstruction Set Architecture (ISA).p Intel 80 x86 (Pentium 4), IBM/Motorola PowerPC (Macintosh), MIPS, Intel IA64, .Page 2MIPS体系结构n MIPS公司发布了第一个商用RISC结构n 本课程将讨论MIPS的一些细节n 为什么选择MIPS而不是Intel 80 x86?p MIPS简洁雅致，不会陷入繁琐的细节.p MIPS广泛应用于嵌入式应

2、用p X86平台主要应用于PC领域Page 3汇编语言的变量-寄存器n 汇编语言不能使用变量（C、JAVA可以）p Int a; float b;p 寄存器变量没有数据类型 n 汇编语言的操作对象是寄存器n 好处：寄存器是最快的数据单元n 缺陷：寄存器数量有限p 编程必须小心，仔细的高效使用各寄存器n MIPS寄存器字长-32bits= 1 Wordn MIPS指令集包括32个通用寄存器n 32 registers in MIPSn $0, $1, $2, $30, $31Page 432个MIPS寄存器Page 5寄存器编号MIPS助记符释义备注0$Zero固定值为0硬件置位23$v0$v1

3、函数调用返回值47$a0$a3函数调用参数4个参数815$t0$t7暂存寄存器8个参数1623$s0$s7通用寄存器调用之前需保存2425$t8$t9暂存寄存器2个28$gp全局指针29$sp堆栈指针30$fp帧指针31$ra函数返回地址1$at汇编器保留2627$k0$k1操作系统保留加减指令n 加法p a = b + c (in C)p add $s0,$s1,$s2 (in MIPS)p C语言变量a, b, c编译后对应寄存器 $s0,$s1,$s2n 减法p d = e f (in C)p sub $s3,$s4,$s5 (in MIPS)p C语言变量d, e, f编译后对应寄存器

4、 $s3,$s4,$s5Page 6加减指令n 如何编译下面的C语言表达式?a = b + c + d - e;n 编译成多行汇编指令add $t0, $s1, $s2 # temp = b + cadd $t0, $t0, $s3 # temp = temp + dsub $s0, $t0, $s4 # a = temp - en 一个简单的C语言表达式变成多行汇编语句n #号后面是注释Page 7内存数据访问指令lw sw lb sb lh shn 读内存指令p g = h + A8； ； (in C)p lw $t0,32($s3) # $t3为A0地址 (in MIPS)p add $

5、s1,$s2,$t0 # g=h+A8n 变址寻址p 偏移量+基址寄存器n 写内存指令p A12 = h + A8； ；p lw $t0,32($t3) # get A8 (in MIPS)p add $t0,$s2,$t0 # A12=h+A8p sw $t0,48($s3) #store A12 Page 8加立即数n 常数相加指令p g = g + 4； ； (in C)p Lw $t0, 0($s3) # $t0=4 $s3=Address(4) p add $s1,$s1,$t0 # g=g+4n 立即数相加指令p addi $s3,$s3,4 # $s3=$s3+4 (in MIP

6、S)Page 9指令实例语义注释加add $s1,$s2,$s3$s1=$s2+$s3寄存器寻址减sub $s1,$s2,$s3$s1=$s2-$s3寄存器寻址加立即数addi $s1,$s2,100$s1=$s2+100寄存器寻址+立即数寻址取字lw $s1,100($s2)$s1=Mem$s2+100寄存器寻址+变址寻址存字sw $s1,100($s2)Mem$s2+100=$s1寄存器寻址+变址寻址条件判断指令 beq reg1,reg2,labeln C语言条件判断指令If (a=b) i=1; else i=2; n 等效C指令 If (a=b) goto L1; i=2; goto

7、 L2;L1:i=1;L2:Page 10n 等效MIPS指令 beq $s0,$s1,L1 addi $s3,$Zero,2 j L2; L1:addi $s3,$Zero,1L2:n MIPS数据传送指令 addi $s3,$Zero,1 # $s3=1 add $s3,$2,$Zero # $s3=$s2MIPS 条件判断指令n 条件跳转p If (reg1=reg2) goto Label1 (C语言)p beq reg1,rege2,Label1 (MIPS指令)p bne reg1,rege2,Label2n 无条件跳转指令p goto Label； (C语言)p J label

8、(MIPS指令)p beq $Zero,$Zero,label (MIPS指令)Page 11逻辑运算n 移位指令p a=b2; C语言p sll $s1,$s2,2 # shift leftp srl $s1,$s2,2 # shift rightn 逻辑运算p and $t0,$t1,$t2 # t0=t1&t2p or $t0,$t1,$t2 # t0=t1|t2p andi $t0,$t1,100 # t0=t1&100p ori $t0,$t1,100 # t0=t1|100Page 12循环结构n C语言简单循环结构，A为int数组pdo g = g + Ai; i

9、 = i + j; while (i != h);n 重写代码pLoop: g = g + Ai;i = i + j;if (i != h) goto Loop;n 编译后的变量映射: Page 13ghijA0$s1$s2$s3$s4$s5循环结构n 最后编译的MIPS代码:Loop: sll $t1,$s3,2 # $t1= 4*I addu $t1,$t1,$s5 # $t1=addr A+4i lw $t1,0($t1) # $t1=Ai addu $s1,$s1,$t1 # g=g+Ai addu $s3,$s3,$s4 # i=i+j bne $s3,$s2,Loop # goto

10、 Loop # if i!=hn 原始C代码: Loop:g = g + Ai; i = i + j; if (i != h) goto Loop;Page 14比较指令 slt sltin MIPS比较指令(Set on Less Than)n slt reg1,reg2,reg3n if (reg2 reg3) （C语言） reg1 = 1; else reg1 = 0;n If (gh) goto Less; n (用slt，bne 两条指令实现)n slt $t0,$s0,$s1 # $t0 = 1 if ghbne $t0,$0,Less # goto Less # if $t0!=

11、0 # (if (gh) Less: Page 15MIPS过程调用n C语言函数调用int function(int a ,int b) return (a+b);n MIPS实现过程调用的机制p返回地址寄存器 $rap参数寄存器 $a0, $a1, $a2, $a3p返回值寄存器 $v0 $v1p局部变量 $s0$s7p堆栈指针 $spPage 16过程调用实现机制 sum(a,b); /* a,b:$s0,$s1 */int sum(int x, int y) return x+y; 1000 add $a0,$s0,$zero # x = a1004 add $a1,$s1,$zero

12、 # y = b 1008 addi $ra,$zero,1016 # $ra=10161012 j sum # 跳转，调用过程sum1016 2000 sum: add $v0,$a0,$a1 # 过程入口2004 jr $ra # new # 返回主程序instructionPage 17J 10161008 jal sum1012过程调用机制n JAL Label #link and jump n 等效于如下指令$ra=PC+4; #save next instruction address J Labeln 过程返回指令Jr $ra #return to main programn 问

13、题：利用$ra做返回地址，如果过程嵌套如何返回？p$ra 会被多次覆盖p利用堆栈保存$raPage 18多级过程调用int sumSquare(int x, int y) return mult(x,x)+ y; n 主程序调用sumSquare(x，y), sumSquare 调用mult(x,y).n 调用sumSquare(x，y)时 $ra保存一次，保证该过程执行完毕后能返回主程序。n 但调用 mult时会覆盖$ran 在调用mult时需要保存 sumSquare的返回地址Page 19堆栈操作n sumSquare: addi $sp,$sp,-8 # space on stacks

14、w $ra, 4($sp) # save ret addrsw $a1, 0($sp) # save yadd $a1,$a0,$zero # mult(x,x)jal mult # call multlw $a1, 0($sp) # restore yadd $v0,$v0,$a1 # mult()+ylw $ra, 4($sp) # get ret addraddi $sp,$sp,8 # restore stackjr $ran mult: .n 注意：除了返回地址以外，函数参数等会覆盖的变量都需要入栈Page 20“push”“pop”32位定长MIPS指令格式（R型指令）n OP：指

15、令的基本操作-操作码n Rs：第一个源操作数寄存器n Rt：第二个源操作寄存器n Rd：存放结果的目的操作寄存器n Shamt：偏移量，用于移位指令n Funct：函数，对操作码进行补充Page 21OPRSRtshamtRd6bitsfunct5bits5bits5bits5bits6bitsR 型指令MIPS指令格式 (R型指令)Page 226bits5bits5bits5bits5bits6bits指令格式OPrsrtrdshamtfunctaddR0RegRegReg03210sub减R0RegRegReg03410andR0RegRegReg36orR0RegRegReg37nor

16、R0RegRegReg39sllR0RegRegReg0srlR0RegRegReg2jrR0REG0008addR018191732n add $s1,$s2,$s3 # machine code 0 x2538820MIPS指令格式 (I、J型指令)Page 236bits5bits5bits5bits5bits6bits指令格式OPrsrtrdshamtfunctaddR0RegRegReg03210addiI8RegReg16bits 立即数lwI35RegReg16bits 立即数swI43RegReg16bits 立即数andiI12RegReg16bits 立即数oriI13RegReg16bits 立即数beqI4RegReg16bits 立即数（相对寻址）bneI5RegReg16bits 立即数（相对寻址）jJ226bit 立即数(伪直接寻址)jalJ326bit 立即数(伪直接寻址)MIPS指令格式Page 24OPRSRtshamtRd6bitsfunct5bits5bits5bits5bits6bitsOPRSRt6bits立即数5bits5bits16bitsOP6bits立即数26bitsR 型指令I 型指令J 型指令MIPS寻址方式总结n 寄存器寻址n