【汇编语言与计算机系统结构笔记17】MIPS 汇编初步

本次笔记内容：
25.MIPS汇编初步-1
26.MIPS汇编初步-2
27.MIPS指令集与汇编程序设计

注：我找到了对应内容的课件，请见我于GitHub的CS笔记仓库。因此，为了节省时间，我只记录老师上课强调的内容与对应ppt页码。

本节课对应幻灯片：汇编语言程式设计-MIPS.pdf，第1页起。

本节课回到了张悠慧老师授课！

MIPS的由来与发展（最经典的RISC架构）

Microprocessor without Interlocked Pipeline
Stages (Millions of Instructions Per Second的双关语)

• 尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题

1981年，斯坦福大学教授Hennessy领导团队，设计出第一个MIPS架构的处理器。

但是市场上， MIPS不是很火。MIPS已被被ARM收购：实际上，零零年代，MIPS与ARM在嵌入式/移动端/非x86领域是可以分庭抗礼的。

张老师当初也参与过“清华芯”的开发（基于MIPS），当然他们也是找教材、从官网下载"Soft Manual"来看、来学。

最后，把 Linux for MIPS、gcc for MIPS 输入板子，来调，让其工作。

当时遇到一个问题，显卡不工作：

• 显卡的信息是不公开的，显卡初始化代码无从得知；
• 板子要去执行显卡初始化代码，但是显卡是为x86写的，MIPS无法执行；
• 最后查资料，找无需x86的显卡，找到了 MATROX 显卡（2003~2004），当时已经不产个人显卡了，老师去 ebay 淘到了一些。

1984年， Hennessy教授离开斯坦福大学，创立MIPS科技公司。

• 于1985年，设计出R2000芯片，1988年，将其改进为R3000芯片， 1991年：R4000。
• 陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。
• 后重点转向嵌入式领域——2000年，MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

MIPS处理器是八十年代中期RISC CPU设计的一大热点：

• 在许多领域，如Sony， Nintendo的游戏机，Cisco的路由器和SGI超级计算机中使用。

索尼、任天堂的游戏机，有一段时间都是用 MIPS 。但是由于市场惯性，终究打不过 Intel 等厂家。

通用处理器指令体系历经MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V的发展；嵌入式指令体系历经MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展，已经十分成熟。

在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。

中国的龙芯采用的是MIPS指令架构。申请了三个专利：

• MIPS的大小端是可以换的；
• 设计了两套指令，无需对齐操作数；
• 将 BLOCK 移至位前。

MIPS32体系结构（系统程序员可见的部分）

指令集特点（与X86指令集对比）

但是 MIPS 指令里编码常数的话，其长度是受限的。

续表如上。

对于 MIPS ，专门设有 31 寄存器保存过程调用。

程序员可见的流水线效果

Branch Delay Slot （跳转延迟）：

• 条件跳转指令的目标地址计算需要在ALU段获得，而此时第二条指令已经进入流水线，存在一个延迟槽（delay slot）
• 需要程序员或编译器优化来填充这个slot
  

MIPS把应该由硬件做的事交给软件去做。

而现在的处理器已经不把加载延迟暴露出来了，这张不讲。

简单总结

• RISC的设计思想在于简化计算机指令功能、规格化指令设计，使得各个指令的流水线分段较为均匀，且操作相对简单规整，从而提高主频。
• 采用Load/Store结构：其它指令均在寄存器之间对数据进行处理，提高处理速度。
• 依赖软件（编译）实现优化及完成复杂功能。

MIPS汇编指令初步

如上，示例2中，move这条指令位于 decay slot ，与上一条 jal 指令是一体的。执行完了才过去。

访存指令

lw $1, offset($2) ，任何寄存器都可以作为地址或者目标寄存器；offset 为16位的带符号整数。

寄存器

使用32个通用寄存器

• 0号寄存器的值永远是0
• 31号寄存器存放函数调用的返回地址（JAL指令）
• 其它寄存器都是“一样”的
• 没有指令寄存器（如x86-32中的eip）

◦整数乘除法的专用寄存器：

• Hi / Lo

32个浮点寄存器（如果有浮点协处理器的话）

MIPS32寄存器命名与使用惯例

如果立即数比较长，那么汇编器自动把一条指令拆成两条指令，此时要用到 1 号寄存器。因此编程时不要人为使用。

MIPS没有栈，但是在软件编辑时，我们逻辑上是有栈的；习惯上用 SP 指向栈顶。

传统的MIPS32传递过程参数方式

MIPS32体系结构下C过程的栈帧layout示意图

整数乘法与寄存器

使用了专用的乘法部件（不是主流水线的一部分），◦ 两个32位数相乘得到64位结果：Hi / Lo寄存器：

• mfhi mflo ，mthi mtlo 用途？Hi / Lo 本身不做运算，将其保存到寄存器中，两条指令分别是 move from hi，move from lo。
• 也可存放除法结果：商（Lo）与余数（Hi）

乘除操作不产生异常，需要编译器判断

• 除0不会产生异常

程序地址空间布局

如上，用户只能访问2GB空间，高2GB空间用户没有权限访问，那里是给核心态用的。

任何的处理器地址的访问（包括指令与数据）都需要经过存储管理单元（MMU）的地址转换：

• 即“程序地址（或称虚拟地址）”转换为“物理地址”；也有一些嵌入式处理器没有MMU，但是一般也经过地址转换。

用户态\核心态\调试态*：

• 用户态下某些指令是非法的，且访存地址有限（最高位为0）
• 核心态下可以做任何事，访问任意空间

定义：

• kuseg 用户态可以使用的地址，需经过MMU转换
• kseg0 最高位清零后就是物理地址 经过缓存
• kseg1 最高三位清零后就是物理地址 不经过缓存 启动后期可使用，系统的启动地址就在这段
• kseg2 核心态使用，需经过MMU转换

协处理器0：CP0

支持虚拟存储、异常处理、运行状态切换等的系统控制协处理器。

• 从程序员的角度来看，就是一系列寄存器
• • 指令：MFC0 MTC0
• • 不能在用户态下访问
• 与下列处理功能密切相关：
• 处理器运行模式，如大小端模式、当前运行态等；
• 缓存控制
• 异常/中断处理
• 存储管理（MMU）
• 其它。。。。。。

CP0寄存器部分汇总

CP0示例

BD用于判断：

• 发生异常的指令，是否位于 delay slot 中；
• 如果位于，需要跳到其之前的转移指令中。

参考书与工具书介绍

See MIPS Run
这本书很好，但是太复杂了。

Assemblers, Linkers, and the SPIM Simulator
可以当作操作手册用，只有20多页。

现在没有 MIPS 机器了，你可以下载一个 MIPS 模拟器 SPIM 。

**MIPS32™ Architecture … **
可以看 MIPS32 指令集，官网。相当于指令字典。

MIPS32 4K™ Processor Core Family Software User’s Manual
这个很深。

MIPS32指令集

以经典的嵌入式处理器MIPS 4kc系列为参照。

指令分类

主要观察与 x86 的不同之处。注意，MIPS中的ADD处理带符号整数。

CLO CLZ

MIPS中计算前导 0/1 个数，而x86是记录扫到的第一个 0/1 的位置。

乘法