前言

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本文不得用于其他用途，侵刪，轉(zhuǎn)載請(qǐng)加上原文鏈接。

Adapted from: http://edge.mcs.dre.g.el.edu/GICL/people/sevy/architecture/MIPSRef(SPIM).html

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其實(shí)我并不建議你看翻譯，因?yàn)闊o論如何，翻譯過后都會(huì)造成信息損失甚至錯(cuò)誤，強(qiáng)烈建議直接看英文原文。

0 MIPS架構(gòu)及匯編語言概述

0.1 數(shù)據(jù)類型及字面含義

0.1.1數(shù)據(jù)類型

• 所有指令都是32位
• 基本數(shù)據(jù)類型
  • 字節(jié)型：byte（8 bits）
  • 半字：halfword（2 bytes）^[1]
  • 字型：word（4 bytes）
• 一個(gè)字符（character）需要1個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間
• 一個(gè)整數(shù)（integer）需要1個(gè)字（4個(gè)字節(jié)）的存儲(chǔ)空間

譯者注：
[1] 在MARS模擬器，半字用half
[補(bǔ)充] 在32位環(huán)境下，C語言的char是1個(gè)字節(jié)，short是2個(gè)字節(jié)，int是4個(gè)字節(jié)，可以對(duì)比學(xué)習(xí)，關(guān)于有無符號(hào)的問題，請(qǐng)先忽略，不妨之后深入學(xué)習(xí)MIPS數(shù)據(jù)及指令再了解。

0.1.2 字面值^[1]

• 數(shù)字（numbers）按照原樣輸入，就是，例如：4
• 字符（characters）被單引號(hào)括起來，例如：'b'
• 字符串（strings）被雙引號(hào)括起來，例如："A string"

譯者注
[1] 英文為Literal，中文不妨理解為：不同類型數(shù)據(jù)的表示方法。

0.2 寄存器（registers）

• 32個(gè)通用寄存器
• 在匯編指令中，寄存器以$開頭。訪問（addressing）寄存器的形式有2種：
  • 使用寄存器的編號(hào)，例如，從$0到$31^[1]
  • 使用與編號(hào)等價(jià)的寄存器名稱，例如，$t1，$sp
• 特殊的寄存器Lo和Hi用于存儲(chǔ)乘法或除法運(yùn)算的結(jié)果
  • 不能直接訪問Lo和Hi寄存器，它們的內(nèi)容通過特殊的指令訪問：mfhi（move from Hi）和mflo（move from Lo）^[2]。
• 棧的增長方向是從存儲(chǔ)器的高地址走向低地址^[3]

譯者注
[1] MIPS有32個(gè)通用寄存器，編號(hào)為0~31。
[2] 這里不是完全直譯，直譯的話看不懂，給出你原文對(duì)比一下：not directly addressable; contents accessed with special instruction mfhi (“move
from Hi”) and mflo (“move from Lo”).
[3] 這意味著棧底在高地址，棧頂在低地址；數(shù)據(jù)入棧的時(shí)候，棧頂指針是從高地址往低地址方向走的，出棧反之。
[補(bǔ)充] 在此再補(bǔ)充一下“字節(jié)序”，它與硬件的設(shè)計(jì)有關(guān)，通常x86系列的硬件采用小端序，MIPS大部分與網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序一樣，采用大端序，也有采用小端序的，不過后來增強(qiáng)了可移植性，采用雙端序，既可以使用小端模式也可以使用大端模式。（參考鏈接在此）

這是來自Goodman&Miller的圖9.9^[1]（注：功能描述請(qǐng)參考原文，這里沒有完全翻譯，對(duì)于初學(xué)者來說沒有意義。）

寄存器編號(hào)可代替的名字^[2]英文全稱（功能）描述

0	$zero	zero	值恒為0
1	$at	assembler temporary	匯編器保留寄存器
2-3	$v0 , $v1	values	值來自于表達(dá)式求值和函數(shù)結(jié)果
4-7	$a0 - $a3	arguments	存儲(chǔ)子程序調(diào)用的前4個(gè)非浮點(diǎn)參數(shù)，在子程序中不會(huì)跨子程序保存
8-15	$t0 - $t7	temporaries	暫存寄存器
16-23	$s0 - $s7	saved values	通用寄存器
24-25	$t8 - $t9	temporaries	臨時(shí)變量，與$t0 - $t7一樣
26-27	$k0 , $k1	kernel reserved	操作系統(tǒng)內(nèi)核保留寄存器，用于中斷處理
28	$gp	global pointer	全局指針
29	$sp	stack pointer	棧指針，指向棧頂
30	$s8 / $fp	saved values / frame pointer	幀指針，用于過程調(diào)用
31	$ra	return address	返回地址

也參考了Britton的章節(jié)1.9，Sweetman的章節(jié)2.21，Larus的附錄章節(jié)A.6。

譯者注
[1] 譯者此處將圖片以表格形式表現(xiàn)了出來。
[2] 原文Alternative name，中文意思就是：與寄存器編號(hào)等價(jià)的名字，比如，$2與$v0等價(jià)。
[補(bǔ)充1] 這里我們可以注意到，32個(gè)寄存器被分成了不同類別，它們都有不同的用途，雖然它們都是通用寄存器，但是使用的時(shí)候，還是應(yīng)該盡量按照實(shí)際功能去使用，以免發(fā)生不可知的錯(cuò)誤。
[補(bǔ)充2] 學(xué)習(xí)建議：這部分內(nèi)容，看一看有大概印象即可，不要強(qiáng)行記憶，因?yàn)槌鯇W(xué)者不太可能看得懂這些都是什么，后面需要的時(shí)候再回看，再查閱即可。

1 程序結(jié)構(gòu)

• 純文本文件中只有數(shù)據(jù)聲明和程序代碼^[1]（文件名的后綴為.s，以能夠在SPIM模擬器運(yùn)行^[2]）
• 數(shù)據(jù)聲明部分后面跟著程序代碼部分^[3]

譯者注：
[1] 意思是：MIPS源程序要在文本編輯器進(jìn)行編輯，包含數(shù)據(jù)聲明和程序代碼。
[2] 推薦使用MARS模擬器來進(jìn)行運(yùn)行MIPS程序，這款軟件一定程度兼容SPIM，并且提供了更加豐富的插件。另外，MIPS源程序文件的后綴可以是.s，也可以是.asm。
[3] 先聲明數(shù)據(jù)，然后再寫處理數(shù)據(jù)的代碼。

1.1 數(shù)據(jù)聲明

• 放置在程序段中，使用編譯器指令.data來標(biāo)識(shí)
• 聲明在程序中使用的變量名；存儲(chǔ)（的變量）會(huì)被分配到主內(nèi)存（RAM）中

譯者注：直譯后表示很難受，可能我水平不夠吧……我用漢語描述一遍

• 在MIPS源程序進(jìn)行數(shù)據(jù)聲明的時(shí)候，需要先加上.data，再進(jìn)行數(shù)據(jù)聲明
• 在程序中需要用到的數(shù)據(jù)，需要先在數(shù)據(jù)段進(jìn)行聲明，并為這些數(shù)據(jù)起名
• 這些你聲明好的變量（的值），在程序運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)被系統(tǒng)分配到主內(nèi)存中

譯者注：數(shù)據(jù)聲明在源程序中應(yīng)該是這樣的

.data # 我要開始寫數(shù)據(jù)聲明了！variable_name_1: .word 11 # 聲明了一個(gè)變量（先不用管語法）# 值：11# 變量名：variable_name_1# <其他數(shù)據(jù)聲明>……

1.2 代碼

• （代碼需要）放在文本（text）部分，并用.text來標(biāo)識(shí)
• （.text后面的文本）包含程序代碼指令
• 代碼執(zhí)行的起始點(diǎn)要給定一個(gè)標(biāo)簽，例如main
• 主代碼的結(jié)束點(diǎn)應(yīng)該使用“退出系統(tǒng)調(diào)用（功能）”，看下面的系統(tǒng)調(diào)用篇

1.3 注釋

在一行上，任何在#之后的內(nèi)容，將會(huì)被（編譯器）認(rèn)為是注釋^[1]。

譯者注：
[1] 這里的注釋，也就是所謂的“單行注釋”。
[補(bǔ)充] 下面的1.4節(jié)在原文中是包含在1.3節(jié)的，譯者這里將其單獨(dú)拿出來，以強(qiáng)調(diào)MIPS源程序結(jié)構(gòu)框架。

1.4 MIPS源程序結(jié)構(gòu)框架示例

下面是MIPS匯編語言程序的模板：

# 注釋部分給出了程序名和函數(shù)描述 # 文件名：Template.s # 這是最基本的MIPS匯編語言程序框架.data # 這行之后是變量聲明 # ... .text # 這行之后的是指令 main: # 指出代碼的起始點(diǎn)（第一個(gè)要執(zhí)行的指令） # ... # End of program, leave a blank line afterwards to make SPIM happy # 程序的結(jié)尾留出一個(gè)空行，讓SPIM高興[1]

譯者注：
[1] make SPIM happy……外國人太有趣了，這句話含義就是，程序結(jié)束的時(shí)候多一個(gè)空行，這樣看起來程序美觀好看。
[補(bǔ)充] 原文程序的注釋太多了，程序結(jié)構(gòu)都看不見了…讓我們留下最寶貴的部分，刪掉冗余部分

.data # 此處進(jìn)行數(shù)據(jù)聲明.text main: # 這是程序入口# 此處編輯程序代碼

2 數(shù)據(jù)聲明

數(shù)據(jù)聲明的形式：

name: storage_type value(s)

以上語句的含義是：

• 為變量創(chuàng)建一個(gè)倉庫（storage）^[1]，它指定了數(shù)據(jù)類型，給定了變量名和變量的值
• 變量的值通常會(huì)給定初始值；對(duì)于存儲(chǔ)類型.space，給出要被分配的空間的數(shù)字^[2]

注意：標(biāo)簽^[3]后面總是跟著冒號(hào):

譯者注：
[1] 可以理解為存儲(chǔ)變量的容器
[2] 也就是空間的大小
[3] 指的是變量名

例子：

var1: .word 3 # create a single integer variable with initial value 3 array1: .byte 'a','b' # create a 2-element character array with elements initialized to a and b array2: .space 40 # allocate 40 consecutive bytes, with storage uninitialized could be used as a 40-element character array# or a 10-element integer array; a comment should indicate which!

譯者注：分別解釋一下這3條

創(chuàng)建一個(gè)integer類型的變量，變量名為var2，變量的值初始化為3

創(chuàng)建一個(gè)字符數(shù)組array1，包含2個(gè)字符類型元素，它們的值分別被初始化為a和b

創(chuàng)建一個(gè)空的空間array2，在內(nèi)存中分配40個(gè)連續(xù)的字節(jié)，這個(gè)沒有被初始化的storage可能是一個(gè)含有40個(gè)元素的字符數(shù)組，也可能是一個(gè)含有10個(gè)元素的integer數(shù)組，由于不確定，因此建議在注釋中說明space的用途。

3 load/store^[1]指令

• RAM的訪問，只能使用load和store指令^[2]
• 其他的指令只能使用寄存器操作數(shù)

譯者注：
[1] load意為“加載”，可以理解為“讀取”，CPU從內(nèi)存中讀取信息；store意為“存儲(chǔ)”，可以理解為“寫入”，CPU向內(nèi)存寫入信息。
[2] MIPS為RICS指令集，相比x86，它的尋址方式很少，只有這兩條指令可以訪問內(nèi)存，也就是說，其他指令的操作數(shù)，不允許出現(xiàn)內(nèi)存操作數(shù)

load：

# 從RAM源位置，復(fù)制1個(gè)字（4個(gè)字節(jié)）到目標(biāo)寄存器 lw register_destination, RAM_source# 從RAM源位置，復(fù)制1個(gè)字節(jié)到目標(biāo)寄存器的低序字節(jié) # 并且對(duì)字節(jié)進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展，填充到高位字節(jié)中 lb register_destination, RAM_source

store：

# 將源寄存器中的字（型數(shù)據(jù)），存到目標(biāo)RAM（地址）中 sw register_source, RAM_destination# 將源寄存器中的低位字節(jié)，存到目標(biāo)RAM中 sb register_source, RAM_destination

load immediate：

# 加載立即數(shù)到目標(biāo)寄存器 li register_destination, value

舉例^[1]：

.data var1: .word 23 # declare storage for var1; initial value is 23 .text __start: lw $t0, var1 # load contents of RAM location into register $t0: $t0 = var1 li $t1, 5 # $t1 = 5 ("load immediate") sw $t1, var1 # store contents of register $t1 into RAM: var1 = $t1 done

譯者注：
[1] 這里不再翻譯，根據(jù)前面的內(nèi)容相信你能理解
[補(bǔ)充] 注意，這些指令其實(shí)就是英文全稱的縮寫，記憶起來非常容易，其他指令也一樣，要關(guān)注其英文全稱。

4 間接尋址和基址尋址

僅被用于load和store指令。

load address：

la $t0, var1

• 將var1（可能是在程序中被定義的標(biāo)簽）的RAM地址復(fù)制到寄存器$0

indirect addressing：

lw $t2, ($t0)

• 加載1個(gè)字大小的數(shù)據(jù)到$t2中，數(shù)據(jù)的地址在$t0中，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)地址指向的內(nèi)存單元中

sw $t2, -12($t0)

未完成

5 算數(shù)運(yùn)算指令

• 最多使用3個(gè)操作數(shù)
• 所有操作數(shù)都是寄存器；沒有RAM或者直接尋址
• 操作數(shù)的大小都是1個(gè)字

add $t0,$t1,$t2 # $t0 = $t1 + $t2; add as signed (2's complement) integers sub $t2,$t3,$t4 # $t2 = $t3 D $t4 addi $t2,$t3, 5 # $t2 = $t3 + 5; "add immediate" (no sub immediate) addu $t1,$t6,$t7 # $t1 = $t6 + $t7; add as unsigned integers subu $t1,$t6,$t7 # $t1 = $t6 + $t7; subtract as unsigned integers mult $t3,$t4 # multiply 32-bit quantities in $t3 and $t4, and store 64-bit # result in special registers Lo and Hi: (Hi,Lo) = $t3 * $t4 div $t5,$t6 # Lo = $t5 / $t6 (integer quotient) # Hi = $t5 mod $t6 (remainder) mfhi $t0 # move quantity in special register Hi to $t0: $t0 = Hi mflo $t1 # move quantity in special register Lo to $t1: $t1 = Lo # used to get at result of product or quotient move $t2,$t3 # $t2 = $t3

譯者注：
這里不翻譯了，表達(dá)式能夠看懂，注意觀察指令的規(guī)律，使用分治思想理解記憶：

指令是英文全稱的縮寫，按照意思即可記憶

指令的后綴代表特殊的含義，例如i代表立即數(shù)，u代表無符號(hào)數(shù)

6 流程控制

• 條件分支的比較，被內(nèi)嵌到了指令之中

branches：

b target # unconditional branch to program label target # 無條件跳轉(zhuǎn)到程序標(biāo)簽targetbeq $t0,$t1,target # branch to target if $t0 = $t1 # 如果$t0 = $t1，就跳轉(zhuǎn)到target標(biāo)簽# 下面的同理，不再一一翻譯blt $t0,$t1,target # branch to target if $t0 < $t1 ble $t0,$t1,target # branch to target if $t0 <= $t1 bgt $t0,$t1,target # branch to target if $t0 > $t1 bge $t0,$t1,target # branch to target if $t0 >= $t1 bne $t0,$t1,target # branch to target if $t0 <> $t1

譯者注：這里的指令，都是英文全稱，比如beq就是branch equal，其余的讀者自行查閱。

jumps：

j target # unconditional jump to program label target # 無條件跳轉(zhuǎn)到程序標(biāo)簽targetjr $t3 # jump to address contained in $t3 ("jump register")# 跳轉(zhuǎn)到某地址，地址的值在寄存器$t3中

未完成
subroutine calls：

subroutine call: “jump and link” instruction

jal sub_label # "jump and link"

subroutine return: “jump register” instruction

jr $ra # "jump register"

注意：

譯者注：原文沒有解釋程序標(biāo)簽target，譯者在這里補(bǔ)充一下

我給出你MIPS源程序的.text部分，我們知道，程序的入口是main標(biāo)簽，事實(shí)上，還可以類似地定義很多標(biāo)簽，跳轉(zhuǎn)指令中的target指的就是這些，以下為示例：

.text # 程序代碼部分 main: <代碼 1>j target_1 # 無條件地跳轉(zhuǎn)到標(biāo)簽target_1的位置# 再從該位置繼續(xù)向下執(zhí)行<代碼 2>target_1:<代碼 2>target_2:<代碼 3> ……

7 系統(tǒng)調(diào)用與I/O（SPIM模擬器^[1]）

譯者注：
[1] MARS模擬器兼容了一部分SPIM的系統(tǒng)調(diào)用，基本是夠用的，依然推薦使用MARS模擬器。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的MIPS快速入门（原文+翻译）：MIPS Architecture and Assembly Language Overview（持续更新中）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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