MIPS指令学习二
1、MIPS寻址方式
MIPS架构的寻址模式有寄存器寻址、立即数寻址、寄存器相对寻址和PC相对寻址4种，其中寄存器相对寻址、PC相对寻址介绍如下：
1.1、寄存器相对寻址
这种寻址模式主要被加载/存储指令使用，其对一个16位的立即数进行符号扩展，然后与指定通用寄存器的值相加，从而得到有效地址。
通用寄存器GRP + 16位立即数做符号扩展 = 有效地址
1.2、PC相对寻址
这种寻址模式主要被转移指令使用。在转移指令中有一个16位的立即数，将其左移2位并进行符号扩展，然后与程序计数器PC的值相加，可得到有效地址。
程序计数器PC + 16位立即数左移2位并做符号扩展 = 有效地址
2、MIPS指令集
2.1、MIPS指令特点
- MIPS固定4字节指令长度。
- 内存中的数据访问（load/store)必须严格对齐（至少4字节对齐）。
- 跳转指令只有26位目标地址，加上2位对齐位，可寻址28位寻址空间，即256MB。
- 条件分支指令只有16位跳转地址，加上2位对齐位，共18位寻址空间，即256KB。
- MIPS默认不把子函数的返回地址（就是调用函数的受害指令地址）存放到栈中，而是存放到$31（$ra)寄存器中，这对那些叶子函数（在函数中不再调用其他函数的函数）有利。如果遇到嵌套函数，有其他机制处理。
- 流水线效应。MIPS采用了高度的流水线，其中一个最重要的效应就是分支延迟效应。在分支跳转语句后面的那条语句叫做分支延迟槽。实际上，在程序执行到分支语句时，当它刚把要跳转到的地址填充好（填充到代码计数器里），还没有完成本条指令时，分支语句后面的那个指令就已经执行了，其原因就是流水线效应 ---- 几条指令同时执行，只是处于不同的阶段。
流水线效应：
mov $a0, $s2
jalr strrchr
move $a0, $s0
在执行第2行跳转分支时，第3行的move指令已经执行完了。因此，在上面指令序列中，strrchr函数的参数来自第3行的$s0,而不是第1行的$s2。
从流水线效应中可以看出，是否正确理解MIPS指令的这些特点会直接影响我们对MIPS程序逆向分析的结果，因此，我们需要熟悉把握这些特点。
2.2、指令格式
所有MIPS指令的长度相同，都是32位。为了让指令的格式刚好合适，设计者做了折中：将所有指令定长，但是不同的指令有不同的格式。在MIPS架构中，指令的最高6位均为Opcode码，剩下的26位可以将指令分为3种类型，分别为R型、I型和J型。
- R型指令用连续3个5位二进制码表示3个寄存器的地址，然后用1个5位二进制码表示移位的位数（如果未使用移位操作，则全为0），最后是6位的Function码（它与Opcode码共同决定R型指令的具体操作方式）。
- I型指令则用连续2个5位二进制码表示2个寄存器的地址，然后是由1个16位二进制码表示1个立即数二进制码。
- J型指令用26位二进制码表示跳转目标的指令地址（实际的指令地址应为32位，其中最低2位为“00”，最高4位由PC当前地址决定）。
| 类型 | 格式 | |||||
| R | Opcode(6) | Rs(5) | Rt(5) | Rd(5) | Shamt(5) | Funct(6) |
| I | Opcode(6) | Rs(5) | Rt(5) | Immediate(16) | ||
| J | Opcode(6) | Address(26) | ||||
- Opcode: 指令基本操作，称为操作码。
- Rs: 第一个源操作数寄存器。
- Rt: 第二个源操作数寄存器。
- Rd: 存放操作结果的目的操作数。
- Shamt: 位移量。
- Funct: 函数，这个字段选择Opcode操作某个特定变体。
3、汇编常用的指令
注意：$Rd表示目的寄存器， $Rs表示源寄存器，$Rt表示作为中间缓存的寄存器，"imm"表示立即数，“MEM[]“表示RAM中的一段内存，“offset"表示偏移量。
3.1、LOAD/STORE指令
LOAD/STORE指令有14条，分别是lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr、sb、sc、sh、sw、swl和swr。
以"l"开头的都是加载指令，以"s"开头的都是存储指令，这些指令用于从存储器中读取数据，或者将数据保存在存储器中。
3.1.1、LA(Load Address) 指令用于将一个地址或标签存入一个寄存器。
| 语法 | 实例 | 备注 |
| la $Rd, Label | la $t0, val_1 | 复制val_1表示的地址到$t0寄存器中，其中val_1是一个Label |
3.1.2、LI(Load Immediate)指令用于将一个立即数存入一个通用寄存器。
| 语法 | 实例 | 备注 |
| lw $Rt, offset($Rs) | lw $s0, 0($sp) | "$s0 = MEM[$sp+0]",相当于取堆栈地址偏移0内存word长度的值到$s0中 |
3.1.3、LW(Load Word) 指令用于从一个指定的地址加载一个word类型的值到一个寄存器中。
| 语法 | 实例 | 备注 |
| lw $Rt, offset($Rs) | lw $s0, 0($sp) | "$s0=MEM[$sp+0];",相当于取堆栈地址偏移0内存word长度的值到$s0中 |
3.1.4、SW(Store Word)用于将源寄存器中的值存入指定的地址。
| 语法 | 实例 | 备注 |
| sw $Rt, offset($Rs) | sw $a0,0($sp) | "MEM[$sp+0]=$a0;",相当于将$a0寄存器中一个word大小的值存入堆栈，且$sp自动堆栈 |
3.1.5、MOVE指令用于寄存器之间值的传递。
| 语法 | 实例 | 备注 |
| move $Rt, $Rs | move $t5, $t1 | $t5=$t1; |
3.2、算术运算指令
MIPS汇编指令的算术运算特点如下：
- 算术运算指令的所有操作数都是寄存器，不能直接使用RAM地址或间接寻址。
- 操作数大小都为word(4 Byte)。
- 算术运算指令有21条，分别为add、addi、sub、subu、clo、clz、slt、slti、sltiu、sltu、mul、mult、madd、maddu、msub、msubu、div和divu，实现了加、减、比较、乘、乘累加、除等运算。
| 指令格式与实例 | 注释 |
| add $t0,$t1,$t2 | "$t0=$t1+$t2;"，带符号数相加 |
| sub $t0,$t1,$t2 | "$t0=$t2 - $t2;", 带符号数相减 |
| addi $t0,$t1,5 | $t0 = $t1 + 5; |
| addu $t0,$t1,$t2 | "$t0 = $t1 + $t2;",无符号数相加 |
| subu $t0, $t1, $t2 | "$t0 = $t2 - $t2;",无符号数相减 |
| mult $t3, $t4 | "$t3 * $t4", 把64 Bits的积存储到"Lo,Hi"中，即"(Hi,Lo)=$t3 * $t4;" |
| div $t5, $t6 | "$LO=$t5/$t6", $LO为商的整数部分；"$HI=$t5 mod $t6", $HI为余数 |
| mfhi $t0 | $t0 = $HI |
| mflo $t1 | $t1 = $LO |
