MIPS 寄存器组和协处理器CP0

MIPS 寄存器组

MIPS 有 32 个通用寄存器（$0-$31），各寄存器的功能及汇编程序中使用约定如下：

下表描述 32 个通用寄存器的别名和用途

;REGISTER

NAME

USAGE

$0

$zero

常量 0 (constant value 0)

$1

$at

保留给汇编器 (Reserved for assembler)

$2-$3

$v0-$v1

函数调用返回值 (values for results and expression evaluation)

$4-$7

$a0-$a3

函数调用参数 (arguments)

$8-$15

$t0-$t7

暂时的 (或随便用的)

$16-$23

$s0-$s7

保存的 (或如果用，需要 SAVE/RESTORE 的)(saved)

$24-$25

$t8-$t9

暂时的 (或随便用的)

$28

$gp

全局指针 (Global Pointer)

$29

$sp

堆栈指针 (Stack Pointer)

$30

$fp

帧指针 (Frame Pointer)

$31

$ra

返回地址 (return address)

下面给以详细说明：
$0: 即 $zero, 该寄存器总是返回零，为 0 这个有用常数提供了一个简洁的编码形式。

      move $t0,$t1
   实际为
       add $t0,$0,$t1
   使用伪指令可以简化任务，汇编程序提供了比硬件更丰富的指令集。

$1: 即 $at，该寄存器为汇编保留，由于 I 型指令的立即数字段只有 16 位，在加载大常数时，编译器或汇编程序需要
把大常数拆开，然后重新组合到寄存器里。比如加载一个 32 位立即数需要 lui（装入高位立即数）和 addi 两条
指令。像 MIPS 程序拆散和重装大常数由汇编程序来完成，汇编程序必需一个临时寄存器来重组大常数，这
也是为汇编 保留 $at 的原因之一。
$2…$3:($v0-$v1) 用于子程序的非浮点结果或返回值，对于子程序如何传递参数及如何返回，MIPS 范围有一套约
定，堆栈中少数几个位置处的内容装入 CPU 寄存器，其相应内存位置保留未做定义，当这两个寄存器不够存
放返回值时，编译器通过内存来完成。
$4…$7:($a0-$a3) 用来传递前四个参数给子程序，不够的用堆栈。a0-a3 和 v0-v1 以及 ra 一起来支持子程序／过程
调用，分别用以传递参数，返回结果和存放返回地址。当需要使用更多的寄存器时，就需要堆栈（stack)
了，MIPS 编译器总是为参数在堆栈中留有空间以防有参数需要存储。
$8…$15:($t0-$t7) 临时寄存器，子程序可以使用它们而不用保留。
$16…$23:($s0-$s7) 保存寄存器，在过程调用过程中需要保留（被调用者保存和恢复，还包括 $fp 和 $ra），MIPS
提供了临时寄存器和保存寄存器，这样就减少了寄存器溢出（spilling, 即将不常用的变量放到存储器的过程),
编译器在编译一个叶（leaf) 过程（不调用其它过程的过程）的时候，总是在临时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) 为操作系统／异常处理保留，至少要预留一个。异常（或中断）是一种不需要在程序中显示
调用的过程。MIPS 有个叫异常程序计数器（exception program counter,EPC) 的寄存器，属于 CP0 寄存器，
用于保存造成异常的那条指令的地址。查看控制寄存器的唯一方法是把它复制到通用寄存器里，指令 mfc0 (move from system control) 可以将 EPC 中的地址复制到某个通用寄存器中，通过跳转语句（jr)，程序可以
返回到造成异常的那条指令处继续执行。MIPS 程序员都必须保留两个寄存器 $k0 和 $k1，供操作系统使用。
发生异常时，这两个寄存器的值不会被恢复，编译器也不使用 k0 和 k1, 异常处理函数可以将返回地址放到这
两个中的任何一个，然后使用 jr 跳转到造成异常的指令处继续执行。
$28:($gp) 为了简化静态数据的访问，MIPS 软件保留了一个寄存器：全局指针 gp (global pointer,$gp)，全局指针
只想静态数据区中的运行时决定的地址，在存取位于 gp 值上下 32KB 范围内的数据时，只需要一条以 gp 为基
指针的指令即可。在编译时，数据须在以 gp 为基指针的 64KB 范围内。
$29:($sp) MIPS 硬件并不直接支持堆栈，你可以把它用于别的目的，但为了使用别人的程序或让别人使用你的程
序， 还是要遵守这个约定的，但这和硬件没有关系。
$30:($fp) GNU MIPS C 编译器使用了侦指针 (frame pointer), 而 SGI 的 C 编译器没有使用，而把这个寄存器当作保
存寄存器使用（$s8), 这节省了调用和返回开销，但增加了代码生成的复杂性。
$31:($ra) 存放返回地址，MIPS 有个 jal (jump-and-link, 跳转并链接) 指令，在跳转到某个地址时，把下一条指令的
地址放到 $ra 中。用于支持子程序，例如调用程序把参数放到 $a0~$a3, 然后 jal X 跳到 X 过程，被调过程完成后
把结果放到 $v0,$v1, 然后使用 jr $ra 返回。
另外，MIPS 对 CPU 的控制通过协处理器 0（CP0）来完成。
参考资料： http://hi.baidu.com/qq520131714/blog/item/f28933245603072cd40742a6.html MIPS 汇编小贴士
http://blog.csdn.net/jerryutscn/archive/2010/03/10/5365263.aspx 基于 MIPS 架构的 BackTrace 实现

协处理器

深入浅出 MIPS 三 MIPS 的协处理器 CP0