L15 MIPS Assembly

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峥倪
5 years ago
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1 Lecture 19: MIPS Assembly Language

2 程序的机器级表示主要内容 MIPS 指令格式 R- 类型 / I- 类型 / J- 类型 MIPS 寄存器长度 / 个数 / 功能分配 MIPS 操作数寄存器操作数 / 存储器操作数 / 立即数 / 文本 / 位 MIPS 指令寻址方式立即数寻址 / 寄存器寻址 / 相对寻址 / 伪直接寻址 / 偏移寻址 MIPS 指令类型算术 / 逻辑 / 数据传送 / 条件分支 / 无条件转移 MIPS 汇编语言形式操作码的表示 / 寄存器的表示 / 存储器数据表示机器语言的解码 ( 反汇编 ) 高级语言汇编语言汇编语言机器语言之间的转换过程调用与堆栈

3 MIPS 指令格式所有指令都是 32 位宽, 须按字地址对齐 R-Type 指令有三种指令格式 R-Type op 6 bits rs 5 bits rt 5 bits rd 5 bits shamt 5 bits func 6 bits 两个操作数和结果都在寄存器的运算指令如 :sub rd, rs, rt I-Type 运算指令 : 一个寄存器一个立即数一个立即数如 :ori rt, rs, imm16 LOAD 和 STORE 指令如 :lw rt, rs, imm16 条件分支指令如 :beq rs, rt, imm16 I-Type 指令 op rs rt immediate 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits J-Type 无条件跳转指令如 :j target J-Type 指令 op target address 6 bits 26 bits 0 0

4 MIPS 指令字段含义 R-Type 指令 OP: 操作码 op rs rt rd shamt func rs: 第一个源操 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits 作数寄存器 I-Type 指令 rt: 第二个源操作数寄存器 op rs rt immediate 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits rd: 结果寄存器 J-Type 指令 shamt: 移位指令 op target address 0 的位移量 6 bits 26 bits func:r-type 指令的 OP 字段是特定的 , 具体操作由 func 字段给定例如 :func= 时, 表示加法运算操作码的不同编码定义不同的含义, 操作码相同时, 再由功能码定义不同的含义! immediate: 立即数或 load/store 指令和分支指令的偏移地址 target address: 无条件转移地址的低 26 位将 PC 高 4 位拼上 26 位直接地址, 最后添 2 个 0 就是 32 位目标地址为何最后两位要添 0? 指令按字地址对齐, 所以每条指令的地址都是 4 的倍数 ( 最后两位为 0) )

5 OP 字段的含义 (MIPS 指令的操作码编码 / 解码表 ) op=0:r 型 ;op=2/3:j 型 ; 其余 :I 型 Back to Load/Store BACK to Assemble

6 R- 型指令的解码 (op=0 时,func 字段的编码 / 解码表 ) add 指令的 func 字段为 B(32) div 指令的 func 字段为多少? B(26)! BACK to Assemble

7 MIPS Addressing Modes( 寻址方式 ) R-format: Register I-format: Immediate op rs rt rd smt func register op rs rt immed Base 或 index 基址或变址 op rs rt immed 有专门的寻址方式字段 (Mod) 吗? 没有! 由指令格式来确定, 而指令格式由 op 来确定! 还记得如何确定的吗? Byte / Half Word / Word Memory register + B/HW/W PC-relative 相对寻址 op rs rt immed Memory J-format: PC Pseudodirect op addr. 伪直接寻址为什么称伪直接? 还记得如何得到最终地址的吗? 最终地址 =PC addr ~28 位数 :4+26+2=32 Memory

8 Example: 汇编形式与指令的对应若从存储器取来一条指令为 00AF8020H, 则对应的汇编形式是什么? 32 位指令代码 : 指令的前 6 位为 , 根据指令解码表指令解码表知, 是一条 R-Type 指令, 按照 R-Type 指令的格式 6 bits bits 21 5 bits 16 5 bits 11 5 bits 6 6 bits 0 op rs rt rd shamt func 得到 : rs=00101, rt=01111, rd=10000, shamt=00000, funct= 根据 R-Type 指令解码表, 知是 add 操作 ( 非移位操作 ) 2. rs rt rd 的十进制值分别为 , 从 MIPS 寄存器功能表知 : rs rt rd 分别为 :$a1 $t7 $s0 故对应的汇编形式为 : add $s0,$a1,$t7 功能 :$a1 + $t7 $s0 这个过程称为反汇编, 可用来破解他人的二进制代码 ( 可执行程序 ).

9 Example: 汇编形式与指令的对应若 MIPS Assembly Instruction: Add $t0,$s1,$s2 则对应的指令机器代码是什么? 从助记符表中查到 Add 是 R 型指令, 即 : op rs rt rd smt func Decimal representaton: R-Type $s1 $s2 $t0 No shift Add 汇编器? 问题 : 如何知道是 R 型指令? 根据汇编指令中的操作码助记符查表能知道是什么格式! Binary representaton: 这个过程称为汇编, 所有汇编源程序都必须汇编成二进制机器代码才能让机器直接执行!

10 MIPS Circuits for R-Type Instructions 问题 : 你能给出 R- 型指令在上述通路中的大致执行过程吗?

11 MIPS R-type 指令实现电路的执行过程 Phase1: Preparation (1: 准备阶段 ) 装入指令寄存器 IR 以下相应字段送控制逻辑 op field (OP 字段 ) func field (func 字段 ) shmt field (shmt 字段 ) 以下相应字段送寄存器堆第一操作数寄存器编号第二操作数寄存器编号存放结果的目标寄存器编号 Phase2: Execution(2: 执行阶段 ) 寄存器号被送选择器对应选择器输出被激活被选寄存器的输出送到数据线控制逻辑提供 : ALU 操作码写信号等结果被写回目标寄存器这个过程描述仅是示意性的, 实际上整个过程需要时钟信号的控制, 并有其他部件参与将在下一章详细介绍

12 MIPS 指令中寄存器数据和存储器数据的指定寄存器数据指定 : 31 x 32-bit GPRs (r0 = 0) 寄存器编号占 5 bit 32 x 32-bit FP regs (f0 ~ f31, paired DP) HI, LO, PC: 特殊寄存器 ( 无需编号 ) 寄存器功能和 2 种汇编表示方式存储器数据指定 32- bit machine --> 可访问空间 : 2 32 bytes Big Endian( 大端方式 ) 只能通过 Load/Store 指令访问存储器数据数据地址通过一个 32 位寄存器内容加 16 位偏移量得到 16 位偏移量是带符号整数, 故应符号扩展数据要求按边界对齐 ( 地址是 4 的倍数 ) r0 r1 r31 PC lo hi SKIP 0

13 MIPS 寄存器的功能定义和两种汇编表示 Name number Usage Reserved on call? zero 0 constant value =0( 恒为 0) n.a. at 1 reserved for assembler( 为汇编程序保留 ) n.a. v0 ~ v1 2 ~ 3 values for results( 过程调用返回值 ) no a0 ~ a3 4 ~ 7 Arguments( 过程调用参数 ) yes t0 ~ t7 8 ~ 15 Temporaries( 临时变量 ) no s0 ~ s7 16 ~ 23 Saved( 保存 ) yes t8 ~ t9 24 ~ 25 more temporaries( 其他临时变量 ) no k0 ~ k1 26 ~ 27 reserved for kernel( 为 OS 保留 ) n.a. gp 28 global pointer( 全局指针 ) yes sp 29 stack pointer ( 栈指针 ) yes fp 30 frame pointer ( 帧指针 ) yes ra 31 return address ( 过程调用返回地址 ) yes Registers are referenced either by number $0, $31, or by name $t0, $s1 $ra. zero at v0-v1 a0 - a3 t0 - t7 s0 - s7 t8 - t9 k0 - k1 gp sp fp ra BACK to Assemble BACK to Procedure BACK to last

14 MIPS arithmetic and logic instructions Instruction Example Meaning Comments add add $1,$2,$3 $1 = $2 + $3 3 operands; exception possible subtract sub $1,$2,$3 $1 = $2 $3 3 operands; exception possible add immediate addi $1,$2,100 $1 = $ constant; exception possible multiply mult $2,$3 Hi, Lo = $2 $3 64-bit signed product divide div $2,$3 Lo = $2 $3, Lo = quotient, Hi = remainder Hi = $2 mod $3 Move from Hi mfhi $1 $1=Hi get a copy of Hi Move from Lo mflo $1 $1=lo Instruction Example Meaning Comment and and $1,$2,$3 $1 = $2 & $3 Logical AND or or $1,$2,$3 $1 = $2 $3 Logical OR xor xor $1,$2,$3 $1 = $2 $3 Logical XOR nor nor $1,$2,$3 $1 = ~($2 $3) Logical NOR 需要判溢出, 溢出时发生异常这里没有全部列出, 还有其他指令, 如 addu( 不带溢出处理 ), addui 等

15 Example: 算术运算 E.g. f= (g+h) - (i+j), assuming f, g, h, i, j be assigned to $1, $2, $3, $4, $5 add $7, $2, $3 add $8, $4, $5 sub $1, $7, $8 寄存器资源由编译器分配! 简单变量尽量被分配在寄存器中, 为什么? 程序中的常数如何处理呢? E.g. f= (g+100) - (i+50) addi $7, $2, 100 addi $8, $4, 50 sub $1, $7, $8

16 MIPS data transfer instructions Instruction Comment Meaning SW $3, 500($4) Store word $3 ($4+ 500) SH $3, 502($2) Store half Low Half of $3 ($2+ 502) SB $2, 41($3) Store byte LQ of $2 ($3+ 41) LW $1, -30($2) Load word ($2-30) $1 LH $1, 40($3) Load half ($3+40) LH of $1 LB $1, 40($3) Load byte ($3+40) LQ of $1 操作数长度的不同由不同的操作码操作码指定指定问题 : 为什么指令必须支持不同长度的操作数? 因为高级语言中的数据类型有 char,short,int,long, 等, 故需要存取不同长度的操作数 ; 操作数长度和指令长度没有关系

17 Example (Base register) Assume A is an array of 100 words, and compiler has associated the variables g and h with the register $1 and $2. Assume the base address of the array is in $3. Translate g = h + A[8] 有没有问题? 有! 因为各数组元素是字, 并按字节编址, 故各占 4 个单元 A[12] = h+a[8] lw $4, 8($3) add $1, $2, $4 lw $4, 32($3) add $1, $2, $4 sw $1, 48($3) ;$4 <-- A[8] offset or displacement ( 偏移量 ) base register ( 基址寄存器 )

18 MIPS 的 call/return/ jump/branch 和 compare 指令 Instruction Example Meaning jump register jr $31 go to $31 For switch, procedure return ( 对应过程返回 ) jump and link jal $31 = PC + 4; go to For procedure call( 对应过程或函数调用 ) jump j go to Jump to target address call / return Pseudoinstruction blt, ble, bgt, bge 伪指令 : 由若干指令 ( 即指令序列 ) 实现 not implemented by hardware, but synthesized by assembler set on less than slt $1,$2,$3 if ($2 < $3) $1=1; else $1=0 按补码比较大小 set less than imm. slti $1,$2,100 if ($2 < 100) $1=1; else $1=0 问题 : 指令中立即数是多少? 100=0064H branch on equal beq $1,$2,100 if ($1 == $2) go to PC 汇编中给出的是立即数问题 : 指令中立即数是多少? 25=0019H 符号扩展后 branch on not eq. bne $1,$2,100 if ($1!= $2) go to PC 乘 4 得到的值而分支指令中给出的是相对于当前指令的指令条数! BACK to Procedure

19 Example:if-then-else 语句和 = 判断 if (i = = j) f = g+h ; else f = g-h ; Assuming variables i, j, f, g, h, ~ $1, $2, $3, $4, $5 bne $1, $2, else ; i!=j, jump to else add $3, $4, $5 j exit ; jump to exit else: sub $3, $4, $5 exit:

20 Example: less than 判断 if (a < b) f = g+h ; else f = g-h ; Assuming variables a, b, f, g, h, ~ $1, $2, $3, $4, $5 slt $6, $1, $2 ; if a<b, $6=1, else $6=0 bne $6, $zero, else ; $6!=0, jump to else add $3, $4, $5 j exit ; jump to exit else: sub $3, $4, $5 exit: slt $6, $1, $2 ; if a<b, $6=1, else $6=0 beq $6, $zero, else ; $6=0, jump to else add $3, $4, $5 j exit ; jump to exit else: sub $3, $4, $5 exit:

21 Example:Loop 循环 Loop: g = g +A[i]; i = i+ j; if (i!= h) go to Loop: Assuming variables g, h, i, j ~ $1, $2, $3, $4 and base address of array is in $5 Loop: add $7, $3, $3 ; i*2 add $7, $7, $7 ; i*4 add $7, $7, $5 lw $6, 0($7) ; $6=A[i] add $1, $1, $6 ; g= g+a[i] add $3, $3, $4 bne $3, $2, Loop 编译器和汇编语言程序员不必计算分支指令的地址, 而只要用标号即可! 汇编器完成地址计算加法比乘法快! 也可用移位来实现乘法! $3 中是 i,$7 中是 i*4

L15 MIPS Assembly

L15 MIPS Assembly Lecture 20: MIPS Assembly Language II Example: 过程调用 int i; i 是全局静态变量 void set_array(int num) { array 数组是局部变量 int array[10]; for (i = 0; i < 10; i ++) { set_array 是调用过程 arrar[i] = compare