MIPS汇编语言详解

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。

.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。
.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 0x00400020
解释：跳转到地址0x00400020处继续执行指令。

4. Function的定义与使用

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
    # ...
```
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
```
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
```
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
```

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。

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。
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。
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。