本章旨在帮助读者阅读MIPS汇编代码。本文中专注于32位MIPS指令集。

本文主要的目标读者是习惯于C语言编程，但是，有时候不得不读懂一些汇编代码甚至做一些小范围的改动的开发者，比如操作系统移植时启动代码start.S文件的阅读与修改。如果想要深入研究汇编程序如何编写，请参考所使用的MIPS工具链的说明文档。

阅读MIPS汇编代码，不仅仅需要熟悉各个机器指令，因为它还包括许多MACRO，这些宏由GNU工具链识别，将其展开成真正的机器指令。这些宏的存在是为了更方便地编写汇编程序。另外，MIPS汇编器还提供了许多伪指令或伪操作，用来管理代码布局、控制指令序列以及实施优化等。

通常，编程人员会将汇编代码以更具有可读性的源文件（后缀.S）传递给预处理器，由预处理器进行宏展开、别名替换等等操作，然后形成真正的预处理后的汇编文件（后缀.s表示）。

下面是C函数库中的strcmp()函数实现。通过这个示例，我们将展示一些基本的汇编语法和手动优化代码的内容。

在这个初始版的strcmp实现函数中，每次迭代过程需要执行2个if语句和2个读取内存操作（访问数组）。这每一个操作会产生一个延时点，比如说读取内存时，其它指令无法读取内存，但是可以在CPU上执行。而在这个while循环中，却没有足够的不需要分支预测和存取内存的操作填充这个时间段的CPU执行。所以，这其实没有最大化CPU的执行效率。而且上面的代码，每次迭代过程只能比较一次字符串。

下面，我们对上面的代码进行简单的改进。最大的变化就是，单次迭代可以执行2次比较，而且还把其中的一次存取操作放到循环的最后：

将上面的代码展开为MIPS汇编代码：

我们先来分析上面汇编代码的每一部分的作用：

上面我们对汇编代码已经有了一些感官上的认识，下面我们就系统地学习一下汇编的语法。

我们都比较熟悉C代码，基本规则差不多，只需要注意一些特别的地方即可。

标签和变量的标识符可以是C语言中任何合法的字符，甚至可以包含$和.。

MIPS汇编器对一些常用的实现作了处理，形成了自己的伪指令。通俗地讲，就是程序开发者以更友好的方式写代码，汇编器将其拆解成多条具体的机器指令。

MIPS架构算术、逻辑指令是三目操作运算指令，也就是说，它们具有2个输入和一个输出。例如：表达式d = s + t写成汇编形式为addu d,s,t。

但是复杂指令集的风格一般是2个操作数。为此，汇编器将目标寄存器d作为源寄存器s使用。如果编写代码时，省略s，写成addu d,t，汇编器生成最终的机器码时，会将其展开为addu d,d,t。

像neg、not等单寄存器指令都是一个或者多个三寄存器指令合成的。汇编器希望这些指令最多使用2个寄存器，所以，

最常用的寄存器到寄存器操作是move d,s。汇编器将这种最常见的操作转换为or d,zero,s。

在汇编或者机器指令中，编入指令中的常数称为立即数。许多算术和逻辑运算使用16位立即数替换t。但是，有时候16位立即数不能满足我们的要求，我们需要对其进行扩展，扩展方式有两种：符号扩展或零扩展到32位。怎样选择取决于操作，通常，算术操作使用符号扩展，逻辑操作使用零扩展。

虽然使用立即数的操作和不使用立即数的操作指令不相同，比如addu和addiu(立即数)。但是，编程人员无需关注这些细节，汇编器会自动检测是否为立即数，从而选择正确的机器指令：

但是，如果立即数太大，16位立即数无法满足，则需要汇编器额外帮助。它自动把常数加载到临时寄存器at/$1中，然后使用它执行操作：

li指令，载入立即数专用伪指令，所以它不是实际的机器指令。

当32位的立即数值位于±32K之内时，汇编器使用单条指令addiu加上$0寄存器实现li指令语句；如果立即数的16-31位都为0，则使用ori指令实现li指令；如果立即数的0-15位都为0，则可以直接使用lui指令将数据搬运到寄存器中。其它情况，根据需要选择使用lui还是ori指令来实现。

但是，将伪汇编指令展开为多条指令时，如果此时使用了.set noreorder伪指令，则会非常麻烦。如果在一个分支延迟槽中使用多指令宏，汇编器会发出警告。

我们在前面看到，MIPS体系结构扩展到64位(第2.7.3节)时非常注意确保MIPS32程序的行为保持不变，即使它们在MIPS64机器上运行;在MIPS64机器中，MIPS32指令的执行总是将任何GP寄存器的32位上半部分设置为所有1或所有0(反映第31位的值)。

MIPS64架构完全兼容MIPS32架构，执行MIPS32指令时，总是使用通用寄存器的高32位，也就是偶数号寄存器。

许多32位指令可以直接在64位系统上被使用，比如按位逻辑操作，但是，算术操作却不能。加减乘除、移位都需要实现新的指令。新指令就是在旧指令的基础上前缀d（表示double）来实现的。比如，旧加法指令addu，新指令就是daddu。

MIPS架构的寻址模式非常简单，就是寄存器+偏移量的方式，偏移量的范围是−32768~32767（也就是16位的立即数）。如果编程人员想要使用其它寻址方式，汇编器将会使用寄存器+偏移量的方式进行组合实现。这些其它寻址方式如下所示：

我们直接看下面的示例：

符号addr可以是下面任何一种：

%hi()和%lo()代表地址的高16位和低16位。它并不是直接把一个32位的WORD分成2个16位的半字。因为lw指令把16位的偏移量解释为带符号的立即数。也就是说，如果bit15等于1的话，%lo(addr)的值就会是负值。所以，我们需要增加%hi(addr)进行补偿，如下所示：

addr

%hi(addr)

%lo(addr)

0x1234.5678

0x1234

0x5678

0x1000.8000

0x1001

0x8000

la宏指令实现加载地址，与li宏指令及其类似，只是一个加载地址，一个加载立即数：

原则上，la指令可以通过使用ori指令避免%lo()为负值的时候。但是load/store指令使用一个带符号位的16位地址偏移量（这样在访问内存的时候更方便），导致linker链接器已经使用了这种修复地址的技术。所以，la指令为了避免linker需要理解两种不同的修复地址的方法，而选择使用add指令实现。

9.4.1 gp相对寻址

MIPS指令集使用32操作数的结果就是，访问某个地址通常需要两条指令实现：

如果在程序中，大量使用global或static数据，会使编译后的代码非常臃肿，执行效率低下。

早期的MIPS编译器引入一种小技巧修复这个问题，称为gp相对寻址（gp->global pointer）。这个技术需要编译器、汇编器、链接器和启动代码的配合才能实现。启动代码start_up.S中把所有较小的变量和常数存入一段内存区域；然后设置寄存器$28（被称为gp指针或gp寄存器）指向这段内存区域的中间位置（链接器会创建一个特殊的符号gp，指向该内存区域的中间位置。启动代码执行load或store指令之前，必须把gp的值加载到gp寄存器中）。但是要求所有的变量所占的空间不超过64KB，也就是上下各32KB。现在，访问某个变量的指令就变成了下面这样：

可以看出，上面的实现，最终只会生成一条机器指令。显然，这可以节省代码量。但是，这里存在的问题是在编译各个模块的时候，编译器和汇编器必须决定哪些变量可以通过gp访问。通常要求所包含的对象小于一定的字节数（默认是8个字节）。这个限制可以通过编译汇编选项-G n进行控制，如果n等于0，则是将这个优化选项关闭。

虽然这是一个非常有用的小技巧，但是也有许多小陷阱需要留意。下面是一些避免陷阱的一些措施：

程序的运行方式决定了这种方法是否可行。许多实时操作系统使用一段独立的代码实现内核，应用程序通过大范围的子程序调用接口调用内核函数。没有一个有效的方法，可以在内核代码和应用程序代码的gp之间来回切换。这种情况下，应用程序或者OS必须至少一个使用-G 0进行编译。

如果使用了-G 0选项编译了某个模块，那么与该模块相关的所有链接库也都得需要使用-G 0选项进行编译。否则，会给出一些稀奇古怪的错误信息。

本段我们主要对MIPS架构常见的内存布局做个简要的介绍，也对内存布局和目标文件之间的关系提出了几个重要的点。了解代码加载到系统内存中的方式对我们很有帮助，尤其是，代码第一次在系统硬件上运行时。

MIPS架构常见的内存布局如图9-1所示。汇编程序中，使用下面这些标记各个段：

应该在数据和指令之前添加正确的段标识符，比如：

图9-1 程序的各个目标代码段和内存布局

上图所示的内存布局一般适用于存储在ROM上，且是一个裸机程序的时候。对于使用操作系统的场合，内存布局比较复杂，需要考虑引导程序的分布、操作系统代码的存储、搬运等等。这又是一个比较深入的话题了。我们会在讨论uboot或者pmon等引导程序的时候，再深入研究。

在实际的应用中，只读的代码数据区一般远离读写内存区。

另外，堆栈是系统地址空间非常重要的区域。但是，汇编器一般无法像.text或.data区域那样，控制堆栈。通常，需要运行的程序对堆栈进行初始化。stack使用寄存器sp设置为可用内存的顶部（一般以8字节为边界）。heap一般使用一个全局指针变量进行访问，这个全局变量由malloc()函数等调用。通常被初始化为end符号表示的值，其是由连接器根据所有声明的变量计算出的一个最高地址。

上图的右边还有一些特殊的符号，如下表所示。这是由链接器自动生成的一些符号，用来程序方便查找起始和结束位置的。是类Unix系统流传下来的习惯。当然，也有一些是MIPS架构特有的。这个需要查看具体的编译工具链。下表中标记着√的符号，一般都是有的。

符号

标准?

意义

ftext

代码段开始

etext

√

代码段结束

fdata

初始化数据段的开始

edata

√

初始化数据段的结束

fbss

非初始化数据段的开始

end

√

非初始化数据段的结束