MIPS 寄存器組和協處理器CP0

MIPS 寄存器組

MIPS 有 32 個通用寄存器（$0-$31），各寄存器的功能及彙編程序中使用約定如下：

下表描述 32 個通用寄存器的別名和用途

;REGISTER

NAME

USAGE

$0

$zero

常量 0 (constant value 0)

$1

$at

保留給彙編器 (Reserved for assembler)

$2-$3

$v0-$v1

函數調用返回值 (values for results and expression evaluation)

$4-$7

$a0-$a3

函數調用參數 (arguments)

$8-$15

$t0-$t7

暫時的 (或隨便用的)

$16-$23

$s0-$s7

保存的 (或如果用，需要 SAVE/RESTORE 的)(saved)

$24-$25

$t8-$t9

暫時的 (或隨便用的)

$28

$gp

全局指針 (Global Pointer)

$29

$sp

堆棧指針 (Stack Pointer)

$30

$fp

幀指針 (Frame Pointer)

$31

$ra

返回地址 (return address)

下面給以詳細說明：
$0: 即 $zero, 該寄存器總是返回零，爲 0 這個有用常數提供了一個簡潔的編碼形式。

      move $t0,$t1
   實際爲
       add $t0,$0,$t1
   使用僞指令可以簡化任務，彙編程序提供了比硬件更豐富的指令集。

$1: 即 $at，該寄存器爲彙編保留，由於 I 型指令的立即數字段只有 16 位，在加載大常數時，編譯器或彙編程序需要
把大常數拆開，然後重新組合到寄存器裏。比如加載一個 32 位立即數需要 lui（裝入高位立即數）和 addi 兩條
指令。像 MIPS 程序拆散和重裝大常數由彙編程序來完成，彙編程序必需一個臨時寄存器來重組大常數，這
也是爲彙編 保留 $at 的原因之一。
$2…$3:($v0-$v1) 用於子程序的非浮點結果或返回值，對於子程序如何傳遞參數及如何返回，MIPS 範圍有一套約
定，堆棧中少數幾個位置處的內容裝入 CPU 寄存器，其相應內存位置保留未做定義，當這兩個寄存器不夠存
放返回值時，編譯器通過內存來完成。
$4…$7:($a0-$a3) 用來傳遞前四個參數給子程序，不夠的用堆棧。a0-a3 和 v0-v1 以及 ra 一起來支持子程序／過程
調用，分別用以傳遞參數，返回結果和存放返回地址。當需要使用更多的寄存器時，就需要堆棧（stack)
了，MIPS 編譯器總是爲參數在堆棧中留有空間以防有參數需要存儲。
$8…$15:($t0-$t7) 臨時寄存器，子程序可以使用它們而不用保留。
$16…$23:($s0-$s7) 保存寄存器，在過程調用過程中需要保留（被調用者保存和恢復，還包括 $fp 和 $ra），MIPS
提供了臨時寄存器和保存寄存器，這樣就減少了寄存器溢出（spilling, 即將不常用的變量放到存儲器的過程),
編譯器在編譯一個葉（leaf) 過程（不調用其它過程的過程）的時候，總是在臨時寄存器分配完了才使用需要
保存的寄存器。
$24…$25:($t8-$t9) 同 ($t0-$t7)
$26…$27:($k0,$k1) 爲操作系統／異常處理保留，至少要預留一個。異常（或中斷）是一種不需要在程序中顯示
調用的過程。MIPS 有個叫異常程序計數器（exception program counter,EPC) 的寄存器，屬於 CP0 寄存器，
用於保存造成異常的那條指令的地址。查看控制寄存器的唯一方法是把它複製到通用寄存器裏，指令 mfc0 (move from system control) 可以將 EPC 中的地址複製到某個通用寄存器中，通過跳轉語句（jr)，程序可以
返回到造成異常的那條指令處繼續執行。MIPS 程序員都必須保留兩個寄存器 $k0 和 $k1，供操作系統使用。
發生異常時，這兩個寄存器的值不會被恢復，編譯器也不使用 k0 和 k1, 異常處理函數可以將返回地址放到這
兩個中的任何一個，然後使用 jr 跳轉到造成異常的指令處繼續執行。
$28:($gp) 爲了簡化靜態數據的訪問，MIPS 軟件保留了一個寄存器：全局指針 gp (global pointer,$gp)，全局指針
只想靜態數據區中的運行時決定的地址，在存取位於 gp 值上下 32KB 範圍內的數據時，只需要一條以 gp 爲基
指針的指令即可。在編譯時，數據須在以 gp 爲基指針的 64KB 範圍內。
$29:($sp) MIPS 硬件並不直接支持堆棧，你可以把它用於別的目的，但爲了使用別人的程序或讓別人使用你的程
序， 還是要遵守這個約定的，但這和硬件沒有關係。
$30:($fp) GNU MIPS C 編譯器使用了偵指針 (frame pointer), 而 SGI 的 C 編譯器沒有使用，而把這個寄存器當作保
存寄存器使用（$s8), 這節省了調用和返回開銷，但增加了代碼生成的複雜性。
$31:($ra) 存放返回地址，MIPS 有個 jal (jump-and-link, 跳轉並鏈接) 指令，在跳轉到某個地址時，把下一條指令的
地址放到 $ra 中。用於支持子程序，例如調用程序把參數放到 $a0~$a3, 然後 jal X 跳到 X 過程，被調過程完成後
把結果放到 $v0,$v1, 然後使用 jr $ra 返回。
另外，MIPS 對 CPU 的控制通過協處理器 0（CP0）來完成。
參考資料： http://hi.baidu.com/qq520131714/blog/item/f28933245603072cd40742a6.html MIPS 彙編小貼士
http://blog.csdn.net/jerryutscn/archive/2010/03/10/5365263.aspx 基於 MIPS 架構的 BackTrace 實現

協處理器

深入淺出 MIPS 三 MIPS 的協處理器 CP0