mips 寄存器理解

通用寄存器(GPR)

有32个通用寄存器，$0到$31：
$0:即$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。MIPS编译器使用slt,beq,bne等指令和由寄存器$0获得的0来 产生所有的比较条件：相等，不等，小于，小于等于，大于，大于等于。还可以用add指令创建move伪指令，即
move $t0,$t1
实际为
add $t0,$0,$t1
    焦林前辈提到他移植fpc时move指令出错，转而使用add代替的。
    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，刚才说到使用伪指令可以简化任务，但是代价就是要为汇编程序保留一个寄存器，就是$at。
    由于I型指令的立即数字段只有16位，在加载大常数时，编译器或汇编程序需要把大常数拆开，然后重新组合到寄存器里。比如加载一个32位立即数需要 lui（装入高位立即数）和addi两条指令。像MIPS程序拆散和重装大常数由汇编程序来完成，汇编程序必需一个临时寄存器来重组大常数，这也是为汇编 保留$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,$k1)为操作系统／异常处理保留，至少要预留一个。异常（或中断）是一种不需要在程序中显示调用的过程。MIPS有个叫异常程序计数器（exception program counter,EPC)的寄存器，属于CP0寄存器，用于保存造成异常的那条指令的地址。查看控制寄存器的唯一方法是把它复制到通用寄存器里，指令mfc0(move from system control)可以将EPC中的地址复制到某个通用寄存器中，通过跳转语句（jr)，程序可以返回到造成异常的那条指令处继续执行。仔细分析一下会发现个有意思的事情：
    为了查看控制寄存器EPC的值并跳转到造成异常的那条指令（使用jr),必须把EPC的值到某个通用寄存器里，这样的话，程序返回到中断处时就无法将所有 的寄存器恢复原值。如果先恢复所有的寄存器，那么从EPC复制过来的值就会丢失，jr就无法返回中断处；如果我们只是恢复除有从EPC复制过来的返回地址 外的寄存器，但这意味着程序在异常情况后某个寄存器被无端改变了，这是不行的。为了摆脱这个两难境地，MIPS程序员都必须保留两个寄存器$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)C语言中有两种存储类型，自动型和静态型，自动变量是一个过程中的局部变量。静态变量是进入和退出一个过程时都是存在的。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)，如果没有全局指针，从静态数据去装入数据需要两条指令：一条有编译器和连接器计算的32位地址常量中的有效位；令一条才真正装 入数据。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，例如，它没有x86的SS,SP,BP寄存器，MIPS虽然定义$29为栈指针，它还是通用寄存器，只 是用于特殊目的而已，你可以把它用于别的目的，但为了使用别人的程序或让别人使用你的程序，还是要遵守这个约定的，但这和硬件没有关系。x86有单独的 PUSH和POP指令，而MIPS没有，但这并不影响MIPS使用堆栈。在发生过程调用时，调用者把过程调用过后要用的寄存器压入堆栈，被调用者把返回地 址寄存器$ra和保留寄存器压入堆栈。同时调整堆栈指针，当返回时，从堆栈中恢复寄存器，同时调整堆栈指针。
$30:($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 $ra返回。
     在调用时需要保存的寄存器为$a0~$a3,$s0~$s7,$gp,$sp,$fp,$ra。

 

跳转范围
    J指令的地址字段为26位，用于跳转目标。指令在内存中以4字节对齐，最低两个有效位不需要存储。在MIPS中，每个地址的最低两位指定了字的一个字 节，cache映射的下标是不使用这两位的，这样能表示28位的字节编址，允许的地址空间为256M。PC是32位的，那其它4位从何而来呢？MIPS的 跳转指令只替换PC的低28位，而高4位保留原值。因此，加载和链接程序必须避免跨越256MB,在256M的段内，分支跳转地址当作一个绝对地址，和 PC无关，如果超过256M（段外跳转）就要用跳转寄存器指令了。
    同样，条件分支指令中的16位立即数如果不够用，可以使用PC相对寻址，即用分支指令中的分支地址与(PC+4)的和做分支目标。由于一般的循环和if语句都小于2^16个字（2的16次方），这样的方法是很理想的。