指令:计算机的语言(MIPS) --计算机组成原理(2)

1、过程或者函数是程序员进行结构化变成的工具,在过程(子程序)运行时,程序必须遵循以下6个步骤:

• 将参数放在过程可以访问的位置,通俗来说就是,传入的实参必须是函数能够访问的;
• 把控制转交给过程,跳转到程序段·并且开始执行;此过程一般是中断
• 获得过程所需要的资源,比如内存,处理器等;
• 执行需要的任务;
• 将结果的值放到调用程序可以访问的位置;返回值咯
• 将控制返回初始点,因为一个过程可能由一个程序中的多个点调用。

2、结合上面的子程序的说法,我们知道在计算机中是寄存器的数据存取能力最快,所以我们希望尽量的多在寄存器中进行任务,那么就有了如下几个寄存器的分配

• $a0~a3 四个寄存器用于传递参数进去;
• $v0~v1 用于返回值的两个寄存器;
• $ra 用于返回起始点的返回地址寄存器。

3、除了寄存器外,MIPS 还包括一条过程调用指令【 jal Index】:跳转到子程序的地址并且把当前位置所在的下一条指令位置存入 ra 寄存器中,以用于子程序执行完后的返回 .

为了支持这种情况,MIPS还使用了寄存器跳转指令 jr 用于case语句,表示无条件跳转到寄存器所指定的地址:jr $ra 。所以,综上我们就有了如下的定义:调用程序称为调用者caller,被调子程序称为被调用者 callee 。caller 把参数放入$ a0 ~ a3 然后使用 jal X 调到callee位置,然后 callee 执行完毕后把返回值放到 $ v0 ~ v1 然后再用 jr $ra 跳回到caller的位置。jr 实际上就是 PC+4 这个位置保存到了 ra 寄存器中。(PC是程序计数器的意思。不管是哪儿我感觉都是简写为PC,就是说,这个东西指在当前程序执行的指令的位置。)

4、如果我们要使用更多寄存器?

不存在的。那就只能放到存储器中了。然后在寄存器中的一个放入存储器的地址,然后每次调用一波~。这个时候最理想的数据结构的是栈。至于什么是栈,please call baidu ~ ,由于使用广泛,所以MIPS就把29号寄存器给了栈,$ sp就是栈指针,放入数据称为压栈,取出称为出栈。另外,栈指针是从高处往低处走,所以压入数据会导致指针位置编号变小。

5、减少寄存器数据换出的约定

$t0 ~ t9 是十个临时寄存器,过程调用中不必被调用者(被调用的子程序)保存;
$ s0 ~ s7 是八个保留寄存器,过程调用中必须被保存(一旦被使用,就要由被调用者进行保存和恢复)。

6、上述内容过一遍之后,我们就可以揣测一个嵌套的过程,比如递归,自己调用自己这种用法!编译一个递归C的过程,并且用MIPS表示出来:

我总结下,从第一个fact开始,每一个 fact 都会保存当前的指令下一条的位置和当前的n值到栈中,具体的表现就是 addi $sp,$sp,-8; 栈的长度增加了2个“字”然后比较当前的n值(保存在 $a0 中)是否小于1,如果小于那么 $t0 就等于1,不小于就等于0,然后把 $t0 与0进行比较,如果等于就跳转到 L1 ,不然就接着往下跑,所以如果跳到 L1,就会对 $a0 内保存的 n 值执行-1的操作,然后继续跳回到 fact 进行对 n 的检查。但是如果不跳到 L1,也就是说达到停止条件了,那么就会忽略 beq 那一句往下跑,开始从栈顶抛出数据,同时对返回把 $v0 修改为 $v0*$a0 ,此处也就是fac(n)=(n-1)*n;然后无条件跳转到上一个调用程序 fact 的下一步,直到结束!

int fact(int n)
  { if(n<1) return 1;
    else return(n*fact(n-1));
   }
//转换为MIPS的代码之后如下:
//以过程标签为开始,栈顶保存两个寄存器,一个是返回地址,另一个是$a0
fact: 
    addi $sp,$sp,-8;
    sw  $ra,4($)sp;
    sw  $a0,0($sp)
//第一次调用的时候sw保存程序中调用fact的地址,然后指令测试n是否满足结束条件小于1
slti  $t0,$a0,1;
beq $t0,$zero,L1;
//如果n小于1,那么fact就把1置入一个寄存器及并且返回。
addi $v0,$zero,1;
addi $sp,$sp(8);
jr $ra;
//在从栈中退出两个内容之前,本应该加载$a0 和$ra 但是由于n小于1的时候,两个寄存器的内容不会有变化所以就跳过了上面的指令,如果n不小于1,那么n-1后传入fact中继续调用fact:
L1:
    addi $a0,$a0,-1;
    jal fact;
//下一条指令时fact的返回位置,从栈顶开始抛出数据(抛出数据的时候指针的位置序号会变大,前面说过的)
lw $a0,0($)sp;
lw $ra,4($sp);
addi $sp,8;
//接下来,返回值寄存器$v0得到原来的n-1的参数与当前的返回内的数据进行相乘:
mul $v0,$a0,$v0;
//最后 fact 跳转到返回地址;
jr $ra;

指令:计算机的语言(MIPS) --计算机组成原理)

7、MIPS汇编语言的寄存器约定,加速大概率事件的思想重要体现
指令:计算机的语言(MIPS) --计算机组成原理

8、J型跳转指令,因为MIPS中每一个操作指令的长度都是4字节,所以其实可以用字来表示单位,也就是说,立即数如果为20000,那么实际跳转的长度就是80000byte,也就是20000个“字”,这样一来我们的跳转返回就可以增加4倍,另外,我们用“PC相对寻址”的时候吗,其跳转基准是以PC+4 为基准的,也就是说,你跳转的距离是相对于下一条指令来说的!这一点尤为重要,后面会讲到!另外,采用PC跳转寻址是一种加速大概率事件的思想的体现!因为条件跳转有一半都是跳转到PC+4的十六个指令范围内。

指令:计算机的语言(MIPS) --计算机组成原理

作者:HustWolf
来源:简书

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