根据 Programmed Introduction to MIPS Assembly Language 和《计算机组成与设计——软件/硬件接口》（原书第 5 版）整理。
寄存器
通用寄存器
MIPS 提供 32 个 32 位的通用寄存器。
| 寄存器 | 助记符 | 用途 |
|---|---|---|
$0 | zero | 常数零 |
$1 | $at | 汇编器保留 |
$2，$3 | $v0，$v1 | 子程序返回值 |
$4-$7 | $a0-$a3 | 子程序参数 |
$8-$15 | $t0-$t7 | 临时寄存器（调用者保存） |
$16-$23 | $s0-$s7 | 保存寄存器（被调用者保存） |
$24，$25 | $t8，$t9 | 临时寄存器（调用者保存） |
$26，$27 | $k0，$k1 | 操作系统保留 |
$28 | $gp | 全局指针 |
$29 | $sp | 栈指针 |
$30 | $fp | 帧指针 |
$31 | $ra | 返回地址 |
特殊寄存器
MIPS 提供一对 32 位寄存器 hi 和 lo 来帮助完成乘法、除法运算。
浮点寄存器
MIPS 有 32 个 32 位的浮点寄存器 $f0 – $f31。
指令格式
R 型（用于寄存器）
| 字段名 | op | rs | rt | rd | shamt | funct |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 含义 | 操作码 | 第一个源操作数寄存器 | 第二个源操作数寄存器 | 目的寄存器 | 位移量 | 功能码 |
| 长度 | 6 | 5 | 5 | 5 | 5 | 6 |
由于 shamt 用 5 位表示，所以 0 <= shamt < 2^5。
I 型（用于立即数）
| 字段名 | op | rs | rt | immediate |
|---|---|---|---|---|
| 含义 | 操作码 | 源操作数寄存器 | 目的寄存器 | 立即数 |
| 长度 | 6 | 5 | 5 | 16 |
由于 immediate 用 16 位表示，所以 -2^15 <= immediate < 2^15 。
注意，此处 rt 的含义与上面不同，且后面的指令如不注明，immediate 默认被符号扩展为 32 位！
J 型（用于分支和跳转）
| 字段名 | op | address |
|---|---|---|
| 含义 | 操作码 | 地址 |
| 长度 | 6 | 26 |
特别的，对于条件分支指令，地址字段可能又被划分为了多个部分。
基本汇编指令
算术运算指令
加法指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
addu rd,rs,rt | rd = rs + rt（溢出时不产生异常） |
add rd,rs,rt | rd = rs + rt（溢出时产生异常） |
addiu rt,rs,immediate | rt = rs + immediate（溢出时不产生异常） |
addi rt,rs,immediate | rt = rs + immediate（溢出时产生异常） |
注意，MIPS 只有 32 位算术运算，在高级语言中需要进行 16 位或 8 位算术运算时，编译器可能产生更多的指令来模拟这些运算，这意味这 32 位算术运算的速度往往会快于其他情况，而不是数据长度越短运算越快。
减法指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
subu rd,rs,rt | d = rs-rt（溢出时不产生异常） |
sub rd,rs,t | d = rs-rt（溢出时产生异常） |
subiu rd,rs,immediate | d = rs-immediate （溢出时不产生异常） |
subi rd,rs,immediate | d = rs-immediate（溢出时产生异常） |
乘法指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
mult rd,rt | hilo = rd * rt（有符号数） |
multu rd,rt | hilo = rd * rt（无符号数） |
hi：结果的高 32 位lo：结果的低 32 位
注意，此处指令中带的 u 和加减法指令含义不同。对于加减法，有符号和无符号数的运算相同，区别仅在带 u 的版本溢出时不产生异常；而对于乘除法，有符号和无符号数的运算不同，且无论是否溢出，都不产生异常，区别仅在带 u 的版本特指无符号数运算。
除法指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
div rd,rt | lo = rd / rt; hi = rd % rt（有符号数） |
divu rd,rt | lo = rd / rt; hi = rd % rt（无符号数） |
lo：商hi：余数
逻辑运算指令
位运算指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
ori rt,rs,immediate | `rt = rs |
andi rt,rs,immediate | rt = rs & immediate |
xori d,s,immediate | rt = rs ^ immediate |
or rd,rs,rt | `rd = rs |
and rd,rs,rt | rd = rs & rt |
xor rd,rs,rt | rd = rs ^ rt |
nor rd,rs,rt | `rd = ~(rs |
移位指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
sll rd,rt,shamt | rd = rt << shamt |
srl rd,rt,shamt | rd = rt >> shamt（逻辑右移） |
sra rd,rt,shamt | rd = rt >> shamt（算术右移） |
特殊用法
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
nor rd,rs,$0 | rd = ~rs |
or rd,rs,$0 | rd = rs |
sll $0,$0,0 | 空操作 |
由于对 $0 的改写无实际意义，所以可以借助 $0 实现空操作。
数据传输指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
lw rt,immediate(rs) | rt = memory[rs + immediate] |
sw rt,immediate(rs) | memory[rs + immediate] = rt |
lh rt,immediate(rs) | rt = memory[rs + immediate] |
lhu rt,immediate(rs) | rt = memory[rs + immediate]（零扩展） |
sh rt,immediate(rs) | memory[rs + immediate] = rt |
lb rt,immediate(rs) | rt = memory[rs + immediate] |
lbu rt,immediate(rs) | rt = memory[rs + immediate]（零扩展） |
sb rt,immediate(rs) | memory[rs + immediate] = rt |
lui rt,immediate | rt = immediate * 2^16 |
w：字，32 位h：半字，16位b：字节，8 位
MIPS 可以使用大端序和小端序，具体由系统设计人员决定。
若要生成 32 位立即数用于寄存器基址寻址，可以先用 lui 指令加载高位，再用 ori 或者 lw 指令填充低位，以完成 $12 = memory[$13 + 0xC] 为例，有以下两种方式：
# 方式一
lui $13,0x0060
ori $13,0x5000 # 简化版 ori 指令，同 ori $13,$13,0x5000
lw $12,0xC($13)
# 方式二
lui $13,0x0060
lw $12,0x500C($13)
无条件跳转指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
j address | goto address * 4 |
jal address | $ra = PC + 4; goto address * 4 |
jr register | goto register |
MIPS 的指令总是 32 位的，因此指令是 4 字节对齐的，32 位地址的低 2 位永远为 0。将 32 位目标地址右移 2 位，然后存储低 26 位，这 26 位的地址实际可以替代 PC 的低 28 位。
注意，使用 j 指令时，PC 的高 4 位是不变的，这意味着寻址界限为 256 MB，超过该界限时，应该使用寄存器跳转指令 （通常编译器会完成这些操作）。
可以使用符号地址来简化编程：
main:
...
j main
条件分支指令
条件跳转指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
beq register1,register2,address | if (register1 == register2) goto PC + 4 + address * 4 |
bne register1,register2,address | if (register1 != register2) goto PC + 4 + address * 4 |
bltz register,label | if (register < 0) goto PC + 4 + address * 4 |
bgez register,label | if (register >= 0) goto PC + 4 + address * 4 |
条件跳转指令使用 PC 相对寻址。
条件置位指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
slt rd,rs,rt | if (rs < rt) rd = 1; else rd = 0（有符号数） |
sltu rd,rs,rt | if (rs < rt) rd = 1; else rd = 0（无符号数） |
slti rt,rs,immediate | if (rs < immediate) rt = 1; else rt = 0（有符号数） |
sltiu rt,rs,immediate | if (rs < immediate) rt = 1; else rt = 0（无符号数） |
再次强调，虽然 sltiu 代表无符号版本，但立即数会先被符号展开，然后再作为无符号数比较。
其他指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
mfhi rd | rd = hi |
mflo rd | rd = lo |
syscall | 系统调用 |
注意，在早期的 MIPS 处理器上，mfhi 和 mflo 指令后的两条指令，不得出现乘法和除法指令，其原因涉及 MIPS 流水线的工作方式。
伪指令
算术运算伪指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
addu d,s,x | d = s + x |
subu d,s,x | d = s-x |
negu d,s | d = -s |
mul d,s,t | d = s * t（结果不超过 32 位） |
div d,s,t | d = s / t（有符号数） |
divu d,s,t | d = s / t（无符号数） |
remu d,s,t | d = s % t（无符号数） |
abs d,s | `d = |
其中，x 可以是寄存器、 16 位立即数或 32 位立即数，后面的 x 含义相同，不再重复。
逻辑运算伪指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
not d,s | d = ~s |
or d,s,x | `d = s |
and d,s,x | d = s & x |
rol d,s,t | d = s << t（循环左移） |
ror d,s,t | d = s >> t（循环右移） |
数据传输伪指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
move d,s | d = s |
li d,value | d = value（value 可以是 16 位或 32 位） |
la d,exp | d = address(exp)（exp 通常是一个符号地址） |
lw d,exp | d = memory[exp] |
sw d,exp | memory[exp] = d |
伪指令还允许借助符号地址来寻址，示例如下：
li $t1,2 # index 2
lb $v0,data($t1) # $v0 = data[$t1]
...
data: .byte 6,34,12,-32, 90
条件分支伪指令
条件跳转伪指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
b label | goto label |
beq s,x,label | if (s == x) goto label |
beqz s,label | if (s == 0) goto label |
bge s,x,label | if (s >= x) goto label (有符号数) |
bgeu s,x,label | if (s >= x) goto label (无符号数) |
bgez s,label | if (s >= 0) goto label (有符号数) |
bgt s,x,label | if (s > x) goto label (有符号数) |
bgtu s,x,label | if (s > x) goto label (无符号数) |
bgtz s,label | if (s > 0) goto label (有符号数) |
ble s,x,label | if (s <= x) goto label (有符号数) |
bleu s,x,label | if (s <= x) goto label (无符号数) |
blez s,label | if (s <= 0) goto label (有符号数) |
blt s,x,label | if (s < x) goto label (有符号数) |
bltu s,x,label | if (s < x) goto label (无符号数) |
bltz s,label | if (s < 0) goto label (有符号数) |
bnez s,label | if (s != 0) goto label |
bne s,x,label | if (s != x) goto label |
注意，所有的分支指令都只能跳转到分支附近的位置，它只使用 16 位来表示地址。
条件置位伪指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
slt d,s,x | if (s < x) d = 1; else d = 0 |
seq d,s,x | if (s == x) d = 1; else d = 0 |
sge d,s,x | if (s >= x) d = 1; else d = 0 (有符号数) |
sgeu d,s,x | if (s >= x) d = 1; else d = 0 (无符号数) |
sgt d,s,x | if (s > x) d = 1; else d = 0 (有符号数) |
sgtu d,s,x | if (s > x) d = 1; else d = 0 (无符号数) |
sle d,s,x | if (s <= x) d = 1; else d = 0 (有符号数) |
sleu d,s,x | if (s <= x) d = 1; else d = 0 (无符号数) |
slt d,s,x | if (s < x) d = 1; else d = 0 (有符号数) |
slti d,s,immediate | if (s < immediate) d = 1; else d = 0 (有符号数) |
sltu d,s,x | if (s < x) d = 1; else d = 0 (无符号数) |
sltiu d,s,immediate | if (s < immediate) d = 1; else d = 0 (无符号数) |
sne d,s,x | if (s != x) |
浮点伪指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
l.s fd,address | fd = memory[address] |
s.s fd,address | memory[address] = fd |
li.s fd,value | fd = value |
abs.s fd,fs | `$d = |
add.s fd,fs,ft | fd = fs + ft |
sub.s fd,fs,ft | fd = fs-ft |
mul.s fd,fs,ft | fd = fs * ft |
div.s fd,fs,ft | fd = fs / ft |
neg.s fd,fs | fd = -fs |
mov.s fd, fs | fd = fs |
mtc1 rs, fd | fd = rs（直接赋值，不进行转换，注意此处目标寄存器和源寄存器顺序） |
mfc1 rd, fs | rd = fs（直接赋值，不进行转换） |
c.eq.s fs, ft | if (fs == ft) condition bit = 1; else condition bit = 0 |
c.lt.s fs, ft | if (fs < ft) condition bit = 1; else condition bit = 0 |
c.le.s fs, ft | if (fs <= ft) condition bit = 1; else condition bit = 0 |
bc1t label | if (condition bit = 1) goto label |
bc1f label | if (condition bit = 0) goto label |
部分 MIPS 处理器只允许在单精度浮点指令中使用 $f0、$f2 、 … 、 $f30 寄存器。以上 .s 结尾的都是单精度浮点指令，对于双精度，将 s 替换为 d 即可，这样 MIPS 将使用寄存器对来进行运算，寄存器对的名称是 $f0、$f2 、 … 、 $f30。
其他伪指令
| 指令格式 | 含义 |
|---|---|
nop | 空操作 |
汇编器指令
| 语法 | 用途 |
|---|---|
.text | 表明代码段的开始 |
.globl | 表明标识符是一个全局符号 |
.data | 表明数据段的开始 |
.byte | 放置一个 8 位的整数，多个整数用逗号隔开 |
.word | 放置一个 32 位的整数，多个整数用逗号隔开 |
.space | 在内存中保留的字节数 |
.ascii | 放置一个 ASCII 字符串 |
.asciiz | 放置一个 C 风格的字符串 (以 \0 结尾的 ASCII 字符串) |
.float | 放置一个 32 位的单精度浮点数，多个浮点数用逗号隔开 |
栈
在 MIPS 中，栈是向下增长的。
通过以下代码实现 push 操作：
# PUSH the item in $t0:
subu $sp,$sp,4 # point to the place for the new item,
sw $t0,($sp) # store the contents of $t0 as the new top.
通过以下代码实现 pop 操作：
# POP the item into $t0:
lw $t0,($sp) # Copy top item to $t0.
addu $sp,$sp,4 # Point to the item beneath the old top.
子程序连接
基于堆栈的连接约定
- 调用子程序（由调用者完成）：
1.1. 将需要保存的
$t0-$t9寄存器入栈，子程序可能会修改它们。 1.2. 将参数放入$a0-$a3。 1.3. 使用jal指令调用子程序。 - 子程序 prolog（由子程序在开头完成）：
2.1. 如果该子程序需要调用其他子程序，将
$ra入栈。 2.2. 将需要修改的$s0-$s7寄存器入栈。 - 子程序主体:
3.1. 子程序可以修改
$t0-$t9、$a0-$a3和 2.2 中保存的寄存器。 3.2. 如果子程序需要调用其他子程序，也必须遵守这些约定。 - 子程序 epilog（由子程序在返回前完成）：
4.1. 将返回值放入
$v0-$v1。 4.2. 将 2.2 中保存的寄存器按与入栈时相反的顺序出栈。 4.3. 如果$ra在 2.1 中被保存，将它出栈。 4.4. 使用ja $ra指令返回。 - 从子程序重新获得控制权（由调用者完成）： 5.1. 将 1.1 中保存的寄存器按与入栈时相反的顺序出栈。
基于栈帧的连接约定
以下约定假设栈只存储 32 位的数据。
- 调用子程序（由调用者完成）：
1.1. 按数字顺序将需要保存的
$t0-$t9寄存器入栈。 1.2. 将参数放入$a0-$a3。 1.3. 使用jal指令调用子程序。 - 子程序 prolog（由子程序在开头完成）：
2.1. 将
$ra入栈。 2.2. 将调用者的帧指针$fp入栈。 2.3. 将需要修改的$s0-$s7寄存器入栈。 2.4. 初始化帧指针：$fp = $sp-space，其中space指变量占用空间，此处是变量个数的 4 倍。 2.5. 初始化栈指针：$sp = $fp。 - 子程序主体：
3.1. 子程序可以修改
$t0-$t9、$a0-$a3和 2.3 中保存的寄存器。 3.2. 子程序根据disp($fp)的形式寻址来使用局部变量。 3.3. 子程序可以通过修改$sp在栈上存储数据。 3.4. 如果子程序需要调用其他子程序，也必须遵守这些约定。 - 子程序 epilog（由子程序在返回前完成）：
4.1. 将返回值放入
$v0-$v1。 4.2.$sp = $fp + space。 4.3. 将 2.3 中保存的寄存器按与入栈时相反的顺序出栈。 4.4. 将调用者的帧指针$fp出栈。 4.5. 将$ra出栈。 4.6. 使用ja $ra指令返回。 - 从子程序重新获得控制权（由调用者完成）： 5.1. 将 1.1 中保存的寄存器按与入栈时相反的顺序出栈。
进入子程序时栈结构如下图所示：
