MIPS 寄存器介绍

MIPS有32个通用寄存器($0-$31),各寄存器的功能及汇编程序中使用约定如下:
下表描述32个通用寄存器的别名和用途

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下面给以详细说明:
$0:即$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。

move$t0,$t1
实际为
add$t0,$0,$t1
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,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。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)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),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,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。

$30:($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。

另外,MIPS对CPU的控制通过协处理器0(CP0)来完成。

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