MIPS汇编语言和相关调试环境

1. 安装使用MARS

MARS是MIPS汇编语言的模拟机，由密苏里州立大学开发。
下载地址：https://courses.missouristate.edu/KenVollmar/MARS/download.htm
将MAR4_5.jar存放在XXX文件夹中。

启动MARS

  1. win+R+cmd，使用java -version看java版本
  2. java -jar打开MARS


    打开的是桌面上的mars.jar，其他盘的mars.jar不知道为什么无法打开

打开示例文件mips-ex1.asm

点击菜单file->open，选中asm文件并打开。
打开后如图所示：

.data    #定义用户数据段
z: .space 10
.text
main:
la $s0,z	
li $t0,0	
li $t1,1	
loop:
slti $t2,$t0,5   
beq $t2,$0,done   
addi $t3,$t3,1 
sw $t3,0($s0)	  
addi $s0,$s0,4	  
addi $t0,$t0,1	  
j loop         
done:
li $v0 10
syscall

汇编

双击工具栏按钮 ，汇编该程序

程序初始数据在内存中的位置和具体的数值，单击复选框，在“10进制显示”和“16进制显示”之间进行切换。

使用“Settings”菜单配置MARS的显示内容。

观察寄存器显示窗口，这里显示了32个通用MIPS寄存器的内容。寄存器显示窗口里的另外两个标签页显示了浮点运算寄存器(Coproc 1)和(Coproc 0)

使用滑动条来改变运行速度，便于观察汇编程序的执行过程

选择程序运行方式

  1. 直接运行程序：通过黄色高亮部分来观察程序的运行，并在数据段显示窗口Data Segment display中观察数值的变化。可以用滑动条改变运行速度如下图中黄色和蓝色部分。
  2. 重置程序为初始值
  3. 单步执行程序，与（单步回退程序）功能相反。

在输入输出窗口中观察程序的输出

修改某个内存地址中的内容。（修改寄存器的内容类似）

  • 在输出结果子程序的第一条指令前添加断点，即勾中该指令的复选框。
  • 单击和，重新运行程序后，程序将在断点处停止运行。
  • 双击某个内存位置，该单元将高亮显示，并接受键盘输入。输入一个数值，按回车键结束输入
  • 单击，从断点处继续执行程序。程序的输出将会包含刚才输入的数值

单击

查看帮助文件，熟悉MIPS指令、伪指令、directives和syscalls。

2. MIPS 体系结构和汇编语言

基本知识

数据类型和文法

  • 数据类型：字节,1 byte 占用( 8bit ), halfword 占 （2 byte= 16bit), word 占用（4byte = 32bit）
  • 一个字符需要一个 Byte 的空间；
  • 一个整数需要 1 个 Word（4 Byte）的空间；
  • MIPS 结构的每条指令长度都是 32bit

寄存器

  • MIPS体系架构有32个通用寄存器，在汇编程序中，可以用编号$0到$31来表示，或者使用寄存器的名字表示，如$sp,$t1 ,$ra...
  • 有两个特殊的寄存器，名为Lo，Hi,用来保存乘法/除法的运算结果。这两个寄存器不能直接寻址，只能使用特殊的指令：mfhi和mflo来 access其中的内容
    （mfhi ： move from Hi ； mflo ： Move from low）
  • 堆栈（stack）的增长方向：从内存的高地址方向向低地址方向增长

    ** MIPS寄存器编号及其分类 **

汇编程序结构框架

汇编源程序代码本质上是文本文件。由数据声明、代码段两部分组成。汇编程序文件以.s为后缀，在Spim或ASM中进行模拟。

  • 数据声明
    以.data开始，声明代码中使用的变量名，同事在主存RAM中创建了对应空间。
  • 程序代码
    以.text开始，包含了以指令构成的程序功能代码。代码以main:开始，结束点调用exit system call。
  • 注释
    使用#符号注释
    汇编程序框架如下：
# Comment giving name of program and description of function
# Template.s
# Bare-bones outline of MIPS assembly language program
.data # variable declarations follow this line
# ...
.text # instructions follow this line
main: # indicates start of code (first instruction to execute)
# ...
# End of program, leave a blank line afterwards to make SPIM happy

编写MIPS汇编程序

1.数据的声明

格式：[name为变量名，values为初始值，storage_type为存储类型]

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 it.
string1 .asciiz "Print this.\n" #declare a string

2.数据的装载和保存（Load/Store指令）

  • 主存（RAM）的存取access只能用load/store指令来完成
  • 其他指令都使用寄存器为操作数
    i. load指令
lw register_destination, RAM_source
# copy word (4 bytes) at 
# source_RAM location 
# to destination register.
# load word -> lw
lb register_destination, RAM_source
# copy byte at source RAM
# location to low-order byte of
# destination register,
# and sign -e.g. tend to 
# higher-order bytes
# load byte -> lb
li register_destination, value
#load immediate value into 
#destination register
#load immediate --> li

ii. store 指令

sw register_source, RAM_destination
#store word in source register
# into RAM destination
sb register_source, RAM_destination
#store byte (low-order) in 
#source register into RAM 
#destination

举例：

.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
done

3.寻址

MIPS系统结构只能用load/store相关指令来实现寻址操作，包含三种寻址方式：

  • 直接寻址/装载地址
    load address 把数据地址直接载入寄存器
    la $t0,var1
    把var1在主存（RAM）中的地址拷贝到寄存器t0中。var1也可以是程序中定义的一个子程序标签的地址
  • 间接寻址
    indirect addressing 把寄存器内容作为地址
    lw $t2,($t0)
    主存中有一个字的地址存在t0中，按这个地址找到那个字，把字拷贝到寄存器t2中
    sw $t2,($t0)
    把t2中的字存入t0中的地址指向的内存位置
  • 基线寻址/索引寻址
    based or indexed addressing
    lw $r2,4($t0)
    把 t0 中地址+4 所得的地址所对应的主存中的字载入寄存器 t2 中，4 为包含在 t0 中的地址的偏移量
    sw $t2,-12($t0)
    把t2中的内容存入t0中的地址-12所得的地址所对应的主存中，存入一个字，占用四字节，消耗四个内存号。地址偏移量可以是负值。
    注意：基线寻址在以下场合特别有用：
    1、数组：从基址出发，通过使用偏移量，存取数组元素。
    2、堆栈：利用从堆栈指针或者框架指针的偏移量来存取元素。
    举例：
#example
.data
array1: .space 12 # declare 12 bytes of storage
# to hold array of 3 integers
.text
__start:
la $t0, array1 # load base address of array 
# into register $t0
li $t1, 5 # $t1 = 5 ("load immediate")
sw $t1, ($t0) # first array element set to 5; # indirect addressing
li $t1, 13 # $t1 = 13
sw $t1, 4($t0) # second array element set to 13
li $t1, -7 # $t1 = -7
sw $t1, 8($t0) # third array element set to -7
done

4.算数运算指令（Arithmetic Instructions）

  • 算数运算指令的所有操作数都是寄存器，不能直接使用RAM地址或间接寻址
  • 操作数的大小都为word[4 byte = 32 bit]
add $t0,$t1,$t2 # $t0 = $t1 + $t2; add as signed 
# (2's complement) integers
sub $t2,$t3,$t4 # $t2 = $t3 Ð $t4
addi $t2,$t3, 5 # $t2 = $t3 + 5; "add immediate" 
# (no sub immediate)
addu $t1,$t6,$t7 # $t1 = $t6 + $t7; 
addu $t1,$t6,5 # $t1 = $t6 + 5;
# add as unsigned integers
subu $t1,$t6,$t7 # $t1 = $t6 - $t7; 
subu $t1,$t6,5 # $t1 = $t6 - 5
# 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

5.程序控制指令（Control Instructions）

  1. 分支指令（branches）
    条件分支的比较机制已经内建在指令中
b target # unconditional branch to program label target
beq $t0,$t1,target # branch to target if $t0 = $t1
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

beqz $t0, lab # Branch to lab if $t0 = 0.
bnez $t0, lab # Branch to lab if $t0 != 0.
bgez $t0, lab # Branch to lab if $t0 >= 0.
bgtz $t0, lab # Branch to lab if $t0 > 0.
blez $t0, lab # Branch to lab if $t0 <= 0.
bltz $t0, lab # Branch to lab if $t0 < 0.

bgezal $t0, lab #If $t0 >= 0, then put the address of the next
#instruction into $ra and branch to lab.
bgtzal $t0, lab #If $t0 > 0, then put the address of the next
#instruction into $ra and branch to lab.
bltzal $t0, lab #If $t0 < 0, then put the address of the next
#instruction into $ra and branch to lab.
  1. 跳转指令（Jumps）
j target # unconditional jump to program label target
jr $t3 #jump to address contained in $t3 ("jump register")
  1. 子程序调用指令
    子程序调用指令的实质是跳转并链接（jump and link），它把当前程序计数器的值保存在$ra中，以备调回：
    跳转到子程序：
    jal sub_label # "jump and link",preserve pc to $ra
    sub_label为子程序标签，如LOOP，SUB_ROUTINE
    从子程序返回：
    jr $ra #"jump register",jump as the value of $ra
    返回到$ra中储存的返回地址相应的位置，$ra中的返回地址由jal指令保存
    注意，返回地址存放在\(ra 寄存器中。如果子程序调用了下一级子程序，或者是递归调 用，此时需要将返回地址保存在堆栈中，因为每执行一次 jal 指令就会覆盖\)ra 中的返回
    地址。

6.系统调用和I/O操作（SPIM仿真）

系统调用是指调用操作系统的特定子程序。
系统调用用来在仿真器的窗口中打印或者读入字符串 string, 并可显示程序是否结束。
用 syscall 指令进行对系统子程序的调用。
本操作首先支持$v0 and $a0-$a1 中的相对值
调用以后的返回值（如果存在）会保存在$v0 中。

系统调用的功能

The print_string service expects the address to start a null-terminated character string. The
directive .asciiz creates a null-terminated character string.
打印字符串的功能认为起始地址为一个空终止符串。声明字符串使用的.asciiz 指示符会
建立一个空终止符串。
The read_int, read_float and read_double services read an entire line of input up to and
including the newline character.
读入整形，读入浮点型和读入双精度的功能会读取一整行，包含换行符。
The read_string service has the same semantices as the UNIX library routine fgets.
It reads up to n-1 characters into a buffer and terminates the string with a null character.
If fewer than n-1 characters are in the current line, it reads up to and including the newline
and terminates the string with a null character.
读入字符串的功能和 UNIX 库中 fgets 函数的语法相同。他会读入 n-1 个字符到缓存，
然后以空字符结尾。如果少于 n-1 的字符，它会读到结尾并包含换行符，并以空字符结
尾。
The sbrk service returns the address to a block of memory containing n additional bytes. This
would be used for dynamic memory allocation.
sbrk 功能返回一个包含有 n 个附加字节的存储区的地址，这回被用于动态内存分配。
exit 功能用于停止程序运行。

举例：打印在$t2中的整数的值

li $v0, 1 # load appropriate system call 
# code into register $v0;
#code for printing integer is 1
move $a0, $t2 # move integer to be printed
# into $a0: $a0 = $t2
syscall # call operating system to
# perform operation

#e.g. Read integer value, store in RAM location with label 
# int_value (presumably declared in data section)
li $v0, 5 # load appropriate system call
# code into register $v0;
# code for reading integer is 
#5 syscall # call operating system to
# perform operation
sw $v0, int_value # value read from keyboard
# returned in register $v0;
# store this in desired location

举例：Print out string (useful for prompts)

.data
string1 .asciiz "Print this.\n" # declaration 
#for string variable, 
# .asciiz directive makes
# string null terminated
.text
main: li $v0, 4 # load appropriate system call

#code into register $v0;
# code for printing string is 4
la $a0, string1 # load address of string to be 
# printed into $a0
syscall # call operating system to
# perform print operation

举例：To indicate end of program, use exit system call; thus last lines of program should be:

li $v0, 10 # system call code for exit = 10
syscall # call operating sys

ASCII 码表

3. MIPS汇编指令

posted @ 2022-04-25 21:53  232424513432142423  阅读(1704)  评论(0)    收藏  举报