1      概述

电子系8字班的汇编大作业已经布置了一些天了，这些天同学们在尝试中遇到了很多困难。在昨天晚上，我本人也终于de完了程序最后一个bug（没错，又是个愚蠢的智障错误），完成了大作业全部代码的编写。我是怀着对整个过程中帮助我的人的感恩之心，以及帮助更多人渡过此劫的责任，以及帮本人B站账号拉一波关注的一点私心（是的，我打算今天开始入坑做一名B站科技UP主），来写这篇教程的。绝对详细，绝对说人话，希望对各位有点帮助。

阅读此教程需要有基本的C++基础，以及对MIPS汇编语言有一个大致的了解。基本上如果你大致复习了一下老师的课件的话都能达到要求的。相信我。如果你吃通了这篇教程，你的大作业写起来将会如丝般顺滑。

2      MIPS汇编

在写汇编的时候，一定要时刻记住，MIPS汇编是一个可以直接转成机器码的指令性语言。所有的命令都是跟MIPS硬件直接挂钩的。下面就带大家来认识一下，MIPS中最重要的两个部件：寄存器和内存。

2.1      寄存器

寄存器的结构如下：

说明以下几点：

    1. 一个寄存器就是一个连续的32bit的存储空间，32bit为一个word。

    2. MIPS有32个寄存器（其实不止，但写这个大作业知道更多也没必要）

    3. 4bit是一位16进制数，如上图中的内容用16进制表示为0x854ac921，其中0x表示16进制，后面8位16进制数分别对应寄存器中的4个bit，如8对应第一个1000，5对应第二个0101，4对应第三个0100… 一个MIPS寄存器对应8位16进制数。

    4. 8bit为一个byte，因此一个MIPS寄存器一共有4个byte。

2.2      内存

内存的结构如下：

说明以下几点：

    1. 内存是很大一段存储空间，以byte为基本计量单位

    2. 每一个byte有一个相应的内存地址，通常以16进制表示，相邻的内存空间之间相差1. 如果一段内存空间的地址为连续的整数序列，我们就称这段内存空间为连续的。

    3. 内存的地址为一个8位的16进制数，刚好为32bit（一位16进制=4个bit，4*8=32），即一个寄存器存储空间的大小。

    4. 由于内存地址需要由寄存器来表示，而一个寄存器32bit总共可以表示4G个字节的内存空间。因此MIPS的内存空间总量就为4G byte。

2.3      MIPS寄存器

前面说过MIPS中一共有32个寄存器，每个寄存器都有自己唯一的名称，还有一个自己唯一的编号。在调用该寄存器时，可以使用该寄存器的名称（如$s0），也可以使用该寄存器的编号（如$16）。这里说明一下，MIPS中是没有定义变量这一说的，东西就在那里，用就是了。

下面的内容翻译自David A. Patterson和John L. Hennessy的Computer Organization and Design, The Hardware/ Software Interface，Figure 2.14。向两位前辈致敬。

说明以下几点：

    1. $zero里面的值一直是零，貌似里面的值不能改，我没试过

    2. $t8-$t9为更多的临时变量。虽然叫临时变量，但是如果保存的变量不够用了拿来当保存的变量用也是没有问题的。

    3. $gp在本次作业中用不到。

    4. $fp这件事情不是很重要，除非你要拿汇编写超级大的程序。欲知详情看一下这张图便知：（截自两位先生的书，希望此举不侵犯版权…）

    5. 关于是否要保存这件事，可以这样理解：主程序调用子程序。有些变量是主程序在调用子程序之后还要正常使用的，那这些值子程序就不能改，子程序需要先保存再改最后再恢复，这样从外界看来子程序就没有修改这些值。有些变量是主程序临时使用的，在调用子程序前后不需要保持不变，那子程序也可以临时使用，就可以随便改。究竟哪些变量是主程序需要的，哪些变量是临时使用的，看一下定义理解一下，便知。（实在不行硬记也行）

2.4      MIPS指令

MIPS的汇编指令非常非常多，这些指令可以分为两大类。

第一类是基础指令，也称源码。这些指令构成了一个完备的指令集，任何操作都可以由这些指令的组合得到。

第二类是扩充指令，也称伪码，简直要多少有多少。助教给的那个MIPS工具书里面那么多扩充指令实际上也不是全部的扩充指令。扩充指令本质上是若干基础指令的组合，在汇编代码的预编译阶段，所有的扩充指令都会被替换为基础指令。这点大家在实践的过程中就能看到，这里就不再赘述。

我们实际在编程的过程中，本着哪个香用哪个的精神，是不管用的是基础指令还是扩充指令的。况且，如果只用基础指令的话，有些操作怎么实现还真得动动脑筋。

下面给出一些常用的MIPS指令。

说明以下几点：

    1. lw和sw是寄存器和内存之间进行数据交换。以lw为例，lw $s0, 2($s1)是指，以$s1中保存的32个bit的内容为地址，在内存中找到该地址再加上2个byte的偏移，顺序读取一个word的内容（1个word是4个byte），将这一个word的内容存储到$s0寄存器中。注意，2这里指代的 偏移量只能是一个常数，不可以是一个寄存器的值。这句话的意思是不可以出现lw $s0, $t0($s1)这样的写法。而且必须有这个常数，不能把lw $s0, 0($s1)写成lw $s0, ($s1)。

    2. and, or, nor等，都是按位运算，也就是说所有的位都要进行运算。因此如果$t0 = 1，我想求!$t0，即把1变成0，是不可以用nor $t0, $t0, $zero这个命令来实现的，这样会使$t0的高位全都变成1… 一件恐怖的事情。

    3. 这个表里很多东西不是很好查到，但是很好用，希望不要跳过它，好好看，会有帮助的。

    4. 每一条指令都是存在内存中的，也有对应的地址（冯诺依曼架构）。存一条指令占4个byte空间。

    5. syscall会向系统发出指令，要求系统进行一些操作。在syscall之前需要在$a0-$a3中准备好给系统传递的参数，在$v0中准备好系统操作的代码。在syscall命令执行时，系统会按照$a0-$a3和$v0中的内容做出相应的操作。

操作代码和内容如下表：

3      MIPS程序的结构

MIPS程序大致的一个结构图如下

说明以下几点：

    1. 预编译数据的定义方式为：

        name:   

        下面给出几个类型名的预编译数据的说明：

    2. 标签可以跟指令写在一行，也可以把指令另起一行。我比较喜欢另起一行，这样看起来更清楚。

    3. 程序的入口可以是MAIN标签，也可以是第一行，这取决于编译器的设定。

    4. 程序退出于下列语句：

        li $v0, 10           #把10传递给$v0，代表无返回值退出

        syscall

        或者：

        li $v0, 17           #把17传递给$v0，代表返回$a0退出

        syscall

        或者程序执行到末尾结束

4      C++结构转汇编结构

终于到激动人心的时刻了。下面讲介绍本教程的精髓——C++直译汇编。请看第一部分，C++结构转汇编结构。

4.1      if

C++中if的基本结构为：

if (statement1) {

       statement2;

}

else if (statement3) {

       statement4;

}

else {

       statement5;

}

这段代码转换成的汇编代码的结构为：

get $t0, statement1                             # 获得条件

beq $t0, $zero, ENDIF                        # 判断条件

IF:

statement2

j END_ELSE                                       # 跳转到结束

END_IF:

get $t0, statement3                             # 获得条件

beq $t0, $zero, ENDELSEIF               # 判断条件

ELSE_IF:

statement4

j END_ELSE                                       # 跳转到结束

END_ELSE_IF:

ELSE:

statement5

END_ELSE:

大家在这里可能已经明白意思了。直译成汇编就要从机器执行C++语句的角度出发去理解。机器无外乎是先计算if括号里的条件，将其与$zero相比较，从而判断是否跳转。这里get命令是我为了表意写上去的，表示一系列的指令得到statement1的值存到$t0中。在实际操作的时候，建议先写好一系列的标签，空出相应的行距，再往里面补内容，这样不容易出错。

下面是一个例子：

if (a >= b && c == d) {

   c = a;

   a = b;

}

直译成汇编。$s0-$s3代表a-d

sge $t0, $s0, $s1            #a >= b

seq $t1, $s2, $s3            #c == d

and $t0, $t0, $t1             #a >= b && c  == d

beq $t0, $zero, END_IF

IF:

move $s2, $s0

move $s0, $s1

END_IF:

4.2      while

C++中while的基本结构为：

while (statement1)  {

       statement2;

}

直译成汇编代码为：

J_WHILE:

get $t0, statement1                        #获得条件

beq $t0, $zero, END_WHILE         #判断条件

WHILE:

statement2

j J_WHILE

END_WHILE:

有了前面if的基础，相信现在while会变得很清晰。这里给while循环设置了三个标签：J_WHILE，WHILE和END_WHILE。J_WHILE负责判断，WHILE和END_WHILE之前为循环体，循环体最后负责跳转回J_WHILE进行下一次判断。

例子：

while(a