MIPS快速入门（原文+翻译）：MIPS Architecture and Assembly Language Overview（持续更新中）

前言

发布该文章的网站已经无法访问，无法获得相关翻译授权，本人的翻译仅供大家参考学习，尽可能使用直译，并加上一些译者注（使用“ ^[1] ”的形式），以减少信息损失，水平有限，不妥之处还请见谅。

本文不得用于其他用途，侵删，转载请加上原文链接。

Adapted from: http://edge.mcs.dre.g.el.edu/GICL/people/sevy/architecture/MIPSRef(SPIM).html

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其实我并不建议你看翻译，因为无论如何，翻译过后都会造成信息损失甚至错误，强烈建议直接看英文原文。

0 MIPS架构及汇编语言概述

0.1 数据类型及字面含义

0.1.1数据类型

• 所有指令都是32位
• 基本数据类型
  • 字节型：byte（8 bits）
  • 半字：halfword（2 bytes）
  • 字型：word（4 bytes）
• 一个字符（character）需要1个字节的存储空间
• 一个整数（integer）需要1个字（4个字节）的存储空间

译者注：在32位环境下，C语言的char是1个字节，short是2个字节，int是4个字节，可以对比学习，关于有无符号的问题，请先忽略，不妨之后深入学习MIPS数据及指令再了解。

0.1.2 字面含义^[1]

• 数字（numbers）按照原样输入，就是，例如：4
• 字符（characters）被单引号括起来，例如：'b'
• 字符串（strings）被双引号括起来，例如："A string"

译者注
[1] 字面含义的英文为Literal，中文不妨理解为：不同类型数据的表示方法。

0.2 寄存器（registers）

• 32个通用寄存器
• 在汇编指令中，寄存器以$开头。访问（addressing）寄存器的形式有2种：
  • 使用寄存器的编号，例如，从$0到$31^[1]
  • 使用与编号等价的寄存器名称，例如，$t1，$sp
• 特殊的寄存器Lo和Hi用于存储乘法或除法运算的结果
  • 不能直接访问Lo和Hi寄存器，它们的内容通过特殊的指令访问：mfhi（move from Hi）和mflo（move from Lo）^[2]。
• 栈的增长方向是从存储器的高地址走向低地址^[3]

译者注
[1] MIPS有32个通用寄存器，编号为0~31。
[2] 这里不是完全直译，直译的话看不懂，给出你原文对比一下：not directly addressable; contents accessed with special instruction mfhi (“move
from Hi”) and mflo (“move from Lo”).
[3] 这意味着栈底在高地址，栈顶在低地址；数据入栈的时候，栈顶指针是从高地址往低地址方向走的，出栈反之。
[补充] 在此再补充一下“字节序”，它与硬件的设计有关，通常x86系列的硬件采用小端序，MIPS大部分与网络字节序一样，采用大端序，也有采用小端序的，不过后来增强了可移植性，采用双端序，既可以使用小端模式也可以使用大端模式。（参考链接在此）

这是来自Goodman&Miller的图9.9^[1]（注：功能描述请参考原文，这里没有完全翻译，对于初学者来说没有意义。）

寄存器编号	可代替的名字[2]	英文全称	（功能）描述
0	$zero	zero	值恒为0
1	$at	assembler temporary	汇编器保留寄存器
2-3	$v0 , $v1	values	值来自于表达式求值和函数结果
4-7	$a0 - $a3	arguments	存储子程序调用的前4个非浮点参数，在子程序中不会跨子程序保存
8-15	$t0 - $t7	temporaries	暂存寄存器
16-23	$s0 - $s7	saved values	通用寄存器
24-25	$t8 - $t9	temporaries	临时变量，与$t0 - $t7一样
26-27	$k0 , $k1	kernel reserved	操作系统内核保留寄存器，用于中断处理
28	$gp	global pointer	全局指针
29	$sp	stack pointer	栈指针，指向栈顶
30	$s8 / $fp	saved values / frame pointer	帧指针，用于过程调用
31	$ra	return address	返回地址

也参考了Britton的章节1.9，Sweetman的章节2.21，Larus的附录章节A.6。

译者注
[1] 译者此处将图片以表格形式表现了出来。
[2] 原文Alternative name，中文意思就是：与寄存器编号等价的名字，比如，$2与$v0等价。
[补充1] 这里我们可以注意到，32个寄存器被分成了不同类别，它们都有不同的用途，虽然它们都是通用寄存器，但是使用的时候，还是应该尽量按照实际功能去使用，以免发生不可知的错误。
[补充2] 学习建议：这部分内容，看一看有大概印象即可，不要强行记忆，因为初学者不太可能看得懂这些都是什么，后面需要的时候再回看，再查阅即可。

1 程序结构

• 纯文本文件中只有数据声明和程序代码^[1]（文件名的后缀为.s，以能够在SPIM模拟器运行^[2]）
• 数据声明部分后面跟着程序代码部分^[3]

译者注：
[1] 意思是：MIPS源程序要在文本编辑器进行编辑，包含数据声明和程序代码。
[2] 推荐使用MARS模拟器来进行运行MIPS程序，这款软件一定程度兼容SPIM，并且提供了更加丰富的插件。另外，MIPS源程序文件的后缀可以是.s，也可以是.asm。
[3] 先声明数据，然后再写处理数据的代码。

1.1 数据声明

• 放置在程序段中，使用编译器指令.data来标识
• 声明在程序中使用的变量名；存储（的变量）会被分配到主内存（RAM）中

译者注：直译后表示很难受，可能我水平不够吧……我用汉语描述一遍

• 在MIPS源程序进行数据声明的时候，需要先加上.data，再进行数据声明
• 在程序中需要用到的数据，需要先在数据段进行声明，并为这些数据起名
• 这些你声明好的变量（的值），在程序运行的时候，会被系统分配到主内存中

译者注：数据声明在源程序中应该是这样的

.data  # 我要开始写数据声明了！
	variable_name_1: .word 11 # 声明了一个变量（先不用管语法）
							  # 值：11
							  # 变量名：variable_name_1
	# <其他数据声明>……

1.2 代码

• （代码需要）放在文本（text）部分，并用.text来标识
• （.text后面的文本）包含程序代码指令
• 代码执行的起始点要给定一个标签，例如main
• 主代码的结束点应该使用“退出系统调用（功能）”，看下面的系统调用篇

1.3 注释

在一行上，任何在#之后的内容，将会被（编译器）认为是注释^[1]。

译者注：
[1] 这里的注释，也就是所谓的“单行注释”。
[补充] 下面的1.4节在原文中是包含在1.3节的，译者这里将其单独拿出来，以强调MIPS源程序结构框架。

1.4 MIPS源程序结构框架示例

下面是MIPS汇编语言程序的模板：

# 注释部分给出了程序名和函数描述
# 文件名：Template.s 
# 这是最基本的MIPS汇编语言程序框架

 .data 	# 这行之后是变量声明
# ... 

.text	 # 这行之后的是指令 
 
main: 	# 指出代码的起始点（第一个要执行的指令） 
# ... 
 
# End of program, leave a blank line afterwards to make SPIM happy
# 程序的结尾留出一个空行，让SPIM高兴[1]

译者注：
[1] make SPIM happy……外国人太有趣了，这句话含义就是，程序结束的时候多一个空行，这样看起来程序美观好看。
[补充] 原文程序的注释太多了，程序结构都看不见了…让我们留下最宝贵的部分，删掉冗余部分

.data 
	# 此处进行数据声明

.text
main:	# 这是程序入口
	# 此处编辑程序代码

2 数据声明

数据声明的形式：

name:	storage_type	value(s)

以上语句的含义是：

• 为变量创建一个仓库（storage）^[1]，它指定了数据类型，给定了变量名和变量的值
• 变量的值通常会给定初始值；对于存储类型.space，给出要被分配的空间的数字^[2]

注意：标签^[3]后面总是跟着冒号:

译者注：
[1] 可以理解为存储变量的容器
[2] 也就是空间的大小
[3] 指的是变量名

例子：

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 which!

译者注：分别解释一下这3条

1. 创建一个integer类型的变量，变量名为var2，变量的值初始化为3
2. 创建一个字符数组array1，包含2个字符类型元素，它们的值分别被初始化为a和b
3. 创建一个空的空间array2，在内存中分配40个连续的字节，这个没有被初始化的storage可能是一个含有40个元素的字符数组，也可能是一个含有10个元素的integer数组，由于不确定，因此建议在注释中说明space的用途。

3 load/store^[1]指令

• RAM的访问，只能使用load和store指令^[2]
• 其他的指令只能使用寄存器操作数

译者注：
[1] load意为“加载”，可以理解为“读取”，CPU从内存中读取信息；store意为“存储”，可以理解为“写入”，CPU向内存写入信息。
[2] MIPS为RICS指令集，相比x86，它的寻址方式很少，只有这两条指令可以访问内存，也就是说，其他指令的操作数，不允许出现内存操作数

load：

# 从RAM源位置，复制1个字（4个字节）到目标寄存器
lw register_destination, RAM_source

# 从RAM源位置，复制1个字节到目标寄存器的低序字节
# 并且对字节进行符号扩展，填充到高位字节中
lb register_destination, RAM_source

store：

# 将源寄存器中的字（型数据），存到目标RAM（地址）中
sw register_source, RAM_destination

# 将源寄存器中的低位字节，存到目标RAM中
sb register_source, RAM_destination

load immediate：

# 加载立即数到目标寄存器
li register_destination, value

举例^[1]：

 .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

译者注：
[1] 这里不再翻译，根据前面的内容相信你能理解
[补充] 注意，这些指令其实就是英文全称的缩写，记忆起来非常容易，其他指令也一样，要关注其英文全称。

4 间接寻址和基址寻址

仅被用于load和store指令。

load address：

la	$t0, var1

• 将var1（可能是在程序中被定义的标签）的RAM地址复制到寄存器$0

indirect addressing：

lw	$t2, ($t0)

• 加载1个字大小的数据到$t2中，数据的地址在$t0中，数据在数据地址指向的内存单元中

sw	$t2, -12($t0)

未完成

5 算数运算指令

• 最多使用3个操作数
• 所有操作数都是寄存器；没有RAM或者直接寻址
• 操作数的大小都是1个字

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; add as unsigned integers 
subu  $t1,$t6,$t7   # $t1 = $t6 + $t7; 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

译者注：
这里不翻译了，表达式能够看懂，注意观察指令的规律，使用分治思想理解记忆：

1. 指令是英文全称的缩写，按照意思即可记忆
2. 指令的后缀代表特殊的含义，例如i代表立即数，u代表无符号数

6 流程控制

• 条件分支的比较，被内嵌到了指令之中

branches：

b	target 		# unconditional branch to program label target 
				# 无条件跳转到程序标签target

beq 	$t0,$t1,target 		# branch to target if $t0 = $t1 
							# 如果$t0 = $t1，就跳转到target标签
							# 下面的同理，不再一一翻译

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

译者注：这里的指令，都是英文全称，比如beq就是branch equal，其余的读者自行查阅。

jumps：

j	    target 		# unconditional jump to program label target 
					# 无条件跳转到程序标签target
					
jr 		$t3 		# jump to address contained in $t3 ("jump register")
					# 跳转到某地址，地址的值在寄存器$t3中

未完成
subroutine calls：

subroutine call: “jump and link” instruction

jal		sub_label		 # "jump and link"

subroutine return: “jump register” instruction

jr	$ra		 # "jump register"

注意：

译者注：原文没有解释程序标签target，译者在这里补充一下

我给出你MIPS源程序的.text部分，我们知道，程序的入口是main标签，事实上，还可以类似地定义很多标签，跳转指令中的target指的就是这些，以下为示例：

.text            # 程序代码部分 

main:  
	<代码 1>
	j	target_1		# 无条件地跳转到标签target_1的位置
						# 再从该位置继续向下执行<代码 2>

target_1:
	<代码 2>

target_2:
	<代码 3>
……    

7 系统调用与I/O（SPIM模拟器^[1]）

译者注：
[1] MARS模拟器兼容了一部分SPIM的系统调用，基本是够用的，依然推荐使用MARS模拟器。