MIPS汇编语言全面教程

1. MIPS架构概述

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集（RISC）处理器架构，由MIPS科技公司于1981年开发。特点包括：

• 最早版本为32位，现已发展到64位
• 广泛应用于电子产品、网络设备和个人娱乐设备
• 采用无互锁流水级设计

2. 机器周期基础

MIPS处理器执行指令的基本步骤：

1. 取指令：从内存读取指令（PC寄存器保存当前指令地址）
2. 更新PC：PC = PC + 4（指向下一条指令）
3. 执行指令：执行取到的指令

3. 寄存器系统

MIPS有32个通用寄存器，使用$符号开头表示：

3.1 寄存器分类

3.2 特殊寄存器

• HI/LO：乘除法专用寄存器
  • 乘法：HI存高位，LO存低位
  • 除法：LO存商，HI存余数
  • 访问指令：mfhi/mflo

4. 程序结构

基本汇编程序框架：

.data       # 数据声明段
    # 变量声明
.text       # 代码段
main:       # 程序入口
    # 指令代码
    # 程序结束

5. 数据声明与内存操作

5.1 数据声明语法

变量名: 存储类型 值

常用数据类型：

• .word：32位整数
• .byte：8位字符
• .space n：分配n字节未初始化空间
• .asciiz：以null结尾的字符串

示例：

var1: .word 3        # 32位整数，初始值3
array1: .byte 'a','b' # 2字节字符数组
array2: .space 40    # 40字节未初始化空间

5.2 内存访问指令

5.3 寻址模式

1. 直接寻址：

   lw $t0, var1
   

2. 间接寻址：

   lw $t2, ($t0)
   

3. 基址偏移寻址：

   lw $t2, 4($t0)    # $t0 + 4地址处加载
   

6. 算术指令

7. 控制流指令

7.1 分支指令

7.2 跳转指令

7.3 子程序调用

# 调用子程序
jal sub_label   # 保存返回地址到$ra，跳转到子程序

# 子程序返回
jr $ra          # 跳转回$ra保存的地址

8. 系统调用与I/O

使用syscall指令进行系统调用，参数通过寄存器传递：

示例：

# 打印整数
li $v0, 1
li $a0, 123
syscall

# 打印字符串
.data
msg: .asciiz "Hello"
.text
li $v0, 4
la $a0, msg
syscall

# 读取整数
li $v0, 5
syscall
move $t0, $v0   # 将输入保存到$t0

# 程序退出
li $v0, 10
syscall

9. 栈操作

MIPS栈特点：

• 从高地址向低地址增长
• $sp寄存器指向栈顶

基本操作：

# 压栈（分配空间）
addi $sp, $sp, -4
sw $t0, 0($sp)

# 弹栈（释放空间）
lw $t0, 0($sp)
addi $sp, $sp, 4

10. 数组处理

数组定义与访问：

.data
array: .space 20   # 5个字的数组

.text
# 初始化数组
li $t0, 0          # 索引
li $t1, 1          # 值
sw $t1, array($t0) # array[0] = 1

addi $t0, $t0, 4   # 索引+4
li $t1, 2
sw $t1, array($t0) # array[1] = 2

# 访问数组元素
la $s1, array      # 基地址
li $a0, 2          # 索引
mul $a0, $a0, 4    # 偏移量
add $s1, $s1, $a0  # 计算元素地址
lw $a0, 0($s1)     # 加载元素

11. 宏定义与使用

11.1 宏匹配

.macro 宏名(参数)
    # 指令
.end_macro

# 示例：打印整数宏
.macro print_int(%param)
    li $v0, 1
    li $a0, %param
    syscall
.end_macro

# 使用
.text
print_int(1)
print_int(2)

11.2 宏定义

.eqv 别名 值/寄存器/指令

# 示例
.eqv LIMIT 20
.eqv CTR $t2
.eqv CLEAR_CTR add CTR, $zero, 0

.text
li $t0, LIMIT
CLEAR_CTR

12. 多文件处理

使用.include指令包含其他文件：

.text
jal fun
.include "A.asm"   # 包含A.asm文件

13. 浮点操作

13.1 浮点寄存器

• 32个浮点寄存器（包含16个双精度寄存器）

13.2 浮点指令

# 单精度
lwc1 $f2, f1      # 加载单精度
swc1 $f2, 0x10010000 # 存储单精度

# 双精度
ldc1 $f2, d1      # 加载双精度（使用两个寄存器$f2+$f3）
sdc1 $f2, 0x10010000 # 存储双精度

14. 内存布局

典型MIPS内存布局：

1. 代码段(.text)：存放程序指令
2. 数据段(.data)：初始化的全局/静态变量
3. 堆(heap)：动态分配的内存
4. 栈(stack)：函数调用、局部变量，从高地址向低地址增长

15. 完整示例

15.1 条件判断

.data
msg_yes: .asciiz "YES"
msg_no: .asciiz "NO"

.text
main:
    # 读取a
    li $v0, 5
    syscall
    move $t0, $v0
    
    # 读取b
    li $v0, 5
    syscall
    move $t1, $v0
    
    # 比较a > b
    bgt $t0, $t1, a_greater
    
    # 输出NO
    li $v0, 4
    la $a0, msg_no
    syscall
    j exit
    
a_greater:
    # 输出YES
    li $v0, 4
    la $a0, msg_yes
    syscall
    
exit:
    li $v0, 10
    syscall

15.2 循环求和

.text
main:
    li $t0, 1       # i = 1
    li $t1, 0       # sum = 0
    
loop:
    add $t1, $t1, $t0   # sum += i
    addi $t0, $t0, 1    # i++
    ble $t0, 100, loop  # if i <= 100, continue
    
    # 输出结果
    move $a0, $t1
    li $v0, 1
    syscall
    
    # 退出
    li $v0, 10
    syscall

16. 最佳实践

1. 使用有意义的标签名
2. 合理使用宏减少重复代码
3. 遵循寄存器使用约定
4. 注意栈平衡（函数调用前后保持$sp一致）
5. 为关键代码添加注释
6. 使用.include组织大型项目

17. 参考资源

1. MIPS官方文档
2. 《计算机组成与设计：硬件/软件接口》
3. MARS模拟器帮助文档
4. 在线MIPS汇编教程和参考手册