实验2 - MIPS 汇编实验指导 on 北航软院计组教程整理

入门篇

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

MIPS 的指令非常多，指导书当中也只会列举出完成实验常用的指令。

在课件下载区新增了《MIPS32-Quick Reference》，是常用 MIPS 指令的快速查询手册。

MIPS 汇编编写的主要的一个难点就是，一次只能做一个运算，但是会用到好几个寄存器，稍微复杂一点就乱了。我的建议是对每一个使用到的寄存器，都做上注释防止出现混乱。

另外，希望大家在写 MIPS 汇编的时候，多多参考 MARS Help 当中的内容。

赋值

在 C 语言中，我们最先用到的便是给变量赋值，这个在 MIPS 中该如何实现呢？

下面这条指令的意思，就是将 t1 寄存器的值赋值为 100，其实际含义是给 $t1 赋值为 100 和 0 进行按位或运算后得到的结果。

 ori $t1, 100

当然了，我们也可以使用扩展指令（伪指令）li（load immediate），下面这条指令的意思，便是直接将 $t1 寄存器赋值为 100，该指令与上一条指令的效果完全一致。

写在最后

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

以上便是 MIPS 汇编中一些最主要的编码方法，需要你能够在完全理解的基础上，多多练习，方能融会贯通。如果想要对 MIPS 汇编的原理进行更深一步的了解，可以阅读本课程相应的 PDF 版指导书。

最后，感谢高远同学为课程组提供了“MIPS 教程”详细的指导书。今年胡峻诚同学在他的教程的基础上，扩充了部分内容。另外，由于高远同学今年不在担任本课程的助教，所以如果发现了本指导书的错误，或是对某些地方产生疑问，欢迎各位同学在计算机硬件基础群中添加助教的微信反馈。

基础篇

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

一次简单的 if 条件判断

在 C 语言中，常用 if 结构，在 MIPS 中如何实现呢？

考虑下面的代码：

 if (a > 5) {
   // do A;
 }
 // do B;

我们不得不提一个叫做 ble 的指令，如下图，其含义是若 $t1 寄存器的值小于等于 5，则跳转到 label 标签处；否则，执行 ble 的下一条指令。

 ble $t1, 5, label

所以我们需要给源程序打上标签：

 if (a > 5) {
   // do A;
 }
 // label:
 // do B;

经过这样打标签之后，程序的逻辑就变成了：

如果 a 的值小于等于 5，就跳转到 label 的位置，执行 B 部分

实验内容

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

汇编语言是使用符号格式表示指令，可直接面向机器内存以及寄存器的程序设计语言。本部分主要学习内容包括：

以 MIPS 指令系统为例，学习 MIPS 指令集及汇编语言，能够使用 MIPS 汇编语言编写顺序、分支、循环等具有特定功能的结构化汇编程序，最好能掌握函数调用及栈操作等汇编程序设计方法。
熟练使用 MARS 工具软件，具备 MARS 调试汇编代码的能力，能使用 MARS 模拟 CPU 执行汇编指令，通过观察相应寄存器、存储等部件的变化情况，查看程序是否符合期望。

敲门篇

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

MIPS 体系结构中的寄存器

MIPS 结构体系当中定义了 32 个寄存器
通用寄存器标志由 $ 符号开头，通常有两种使用的方式：

直接使用对应的寄存器的名称，例如 $t0、$t1、$sp 等。
直接使用对应的寄存器的编号，例如 $0、$1、$31 等。

每个寄存器都有其特定的作用，有相应的规范，如下表所示。

寄存器编号	助记符	用途
0	zero	值总是为 0
1	at	（汇编暂存寄存器）一般由汇编器作为临时寄存器使用。我们编写 MIPS 汇编不使用。
2 - 3	v0 - v1	用于存放表达式的值，或函数的整型、指针型的返回值
4 - 7	a0 - a3	用于函数传参。其值在函数调用的过程中不会被保存。若函数参数较多，多出来的部分通常会使用栈进行传递。
8 - 15	t0 - t7	用于存放表达式的值的临时寄存器。其值在函数调用的过程中不会被保存。
16 - 23	s0 - s7	保存寄存器。这些寄存器中的值在经过函数调用之后不会改变。
24 - 25	t8 - t9	用于存放表达式的值的临时寄存器。其值在函数调用的过程中不会被保存。当调用位置无关函数时，25 号寄存器必须存放被调用函数的地址。
26 - 27	k0 - k1	仅被操作系统使用。
28	gp	全局指针和内容指针。
29	sp	栈指针。
30	fp 或 s8	保存寄存器（同 s0 - s7）。也可用作帧指针。
31	ra	函数返回地址。

进阶篇

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

函数

虽然前面有宏定义，但是 MIPS 本身还是有函数的使用的。

宏定义和函数的关系就像是 C 语言当中 #define 关键字和函数的关系一样。

首先，我们来学习 jal（jump and link）指令。

jal 指令的意思是跳转到对应标签的位置，并将当前执行的指令位置存储在 $ra 寄存器中。

前面说过 $a0 - $a3 寄存器的作用是函数传参，意味着如果在 jal 指令调用之前，往 $a0 - $a3 寄存器当中存放了数据，那么 jal 指令调用之后，这几个寄存器的值是可以直接拿出来用的。

既然 $ra 寄存器当中存放了调用之前的执行的位置，当函数调用结束后可使用 jr（jump register）指令：jr $ra ，返回（return）这个函数，函数的返回值存储在 $v0 和 $v1 寄存器中。（MIPS 甚至可以有两个返回值）

高级篇

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

前面我们已经学习了 MIPS 汇编的基本使用。

下面我们在此基础上回顾一下 MIPS 汇编，同时讲一些高级一点的用法。

宏定义

有的同学可能会说，这个输入输出每次都要写好几条指令才能做到，但是每次写起来都是一样的，有没有更方便的方法去完成这件事呢？

当然有，我们隆重向大家介绍宏定义。

宏定义需要使用 .macro 和 .end_macro 进行包裹。

看下面的例子：

 .macro RI(%i)
     li $v0, 5
     syscall
     move %i, $v0
 .end_macro

首先阅读一下中间三行 MIPS 代码：

$v0 寄存器的值设置成 5，然后 syscall 系统调用，这个时候程序会进行读入整数的操作。

然后，将读到 $v0 寄存器的值移动到 %i。