Assemble Language Programming(第九章)

Assemble Language Programming 第九章

分類：MIPS架構學習筆記

2009/01/26 15:50

Assembler language programming

這一章將告訴你如何閱讀並編寫MIPS體系下的匯編代碼。MIPS匯編代碼看上去與實際的代碼差異很大，這主要是因為以下原因:

1,      MIPS匯編編譯器(assembler)提供了大量的已經預定義的宏指令(extra macro-instruction)。所以編譯器的指令集(instruction set)要比CPU實際提供的指令集大的多。

2，在MIPS匯編代碼中有許多偽操作符，放在代碼開始和結束的地方，用來預定義常用數據，控制指令排列順序，以及控制對代碼的優化。通常它們被稱為“directives”或“pseudops”。

3，實際應用中，匯編代碼往往要經過C語言預處理器(C preprocessor)的處理后，才被提交給assembler進行編譯。C語言預處理器將匯編代碼中的宏，用它自己的頭文件中的定義進行替換。這可以使匯編代碼書寫起來稍微方便一點。

在你繼續看下去之前，最好先回去溫習一下Chapter-2的內容,包括低層機器碼的構造，數據類型，尋址方式。($：流水線pipeline的知識很值得溫習一下，主要看一下那些該死的延遲點delay-slot。)

 

 

9.1      A Simple Example

我們仍然採用在Chapter-8見過的那個例子: C庫函數strcmp(1)。這一次我們的演示的重點是: 匯編語法所必需的符號，以及一些人工優化(hand-optimized)並重排序(hand-scheduled)的代碼。

Int

Strcmp(char* a0, char* a1)

{

char t0, t1;

while(1){

         t0 = a0[0];

         a0 += 1;

         t1 = a1[0];

         a1 += 1;

         if( t0 == 0 )

                 break;

         if( t0 != t1 )

                 break;

}

return ( t0 - t1 );

}

 

這段代碼的運行速度因為以下原因而比較低：

1，           每個循環都會經過兩個條件分支(conditional branch)和兩個提取指令(load)，而我們沒有在分支延遲點(branch delay-slot)和提取延遲點(load delay-slot)上放置足夠的指令($：相當於cpu在delay-slot處做nop動作，從而影響了效率，參見1.5.5 programmer-visible pipeline effects)。

2，           每次循環只比較一個字節，使得循環過於頻繁而效率低下（$：因為分支(b*)及跳轉(j*)指令會造成流水線的刷新，后續指令被失效）。

我們來修改這段代碼：首先把循環展開，每次循環比較2個字節；把一個load指令調整到循環的末尾——這只是一個小技巧，這樣我們就可以盡可能的在每個branch delay-slot和load delay-slot處都放上有效的指令了。

       

Int

Strcmp(char* a0, char* a1)

{

char t0, t1,t2;

 

/*因為第一個load被調整到循環的末尾處，所以這里要先取一次值*/

t0 = a0[0];

 

while(1){

         t1 = a1[0];                        /*第一個字節*/

         if( t0 == 0 )

                 break;

         a0 += 2;                           /*$：branch delay-slot*/

         if( t0 != t1 )

                 break;

/*第2個字節，在上面我們已經把a0加2了，所以這里是[-1]*/

         t2 = a0[-1];                      /*$：branch delay-slot*/

         t1 = a1[1];                        /*先不把a1加2，留到下面的delay-slot處再加*/

         if( t2 == 0 )

                 return t2-t1;              /*下面匯編代碼里的標志.t21處*/

         a1 += 2;                           /*$：branch delay-slot*/

         if( t1 != t2 )

                 return t2-t1;              /*下面匯編代碼里的標志.t21處*/

         t0 = a0[0];                        /*$：branch delay-slot*/

}

/*下面匯編代碼里的標志.t01處*/

return ( t0 - t1 );

}

 

ok,現在讓我們把這段代碼轉成匯編來看看。

 

#include <mips/asm.h>

#include <mips/regdef.h>

 

LEAF(strcmp)

        .set           nowarn

        .set           noreorder

        lbu            t1,    0(a1);

1:    

beq           t0,    zero, .t01                  #load delay-slot

        addu         a0,   a0,2                         #branch delay-slot

        bne           t0,    t1,.t01

        lbu            t2,    -1(a0)                      #branch delay-slot

        lbu            t1,    1(a1)                        #load delay-slot

        beq          t2,    zero,.t21

        addu         a1,   a1,2                         #branch delay-slot

        beq          t2,    t1,1b

        lbu            t0,    0(a0)                        #branch delay-slot

 

.t21:

        j               ra

        subu         v0,   t2,t1                         #branch delay-slot

.t01:

        j               ra

        subu         v0,   t0,t1                         #branch delay-slot

        .set           reorder

END(strcmp)

 

Even without all the scheduling,這里已經有很多有意思的東西了，讓我們來看看。

 

#include   

這是個好主意：由C語言預處理器cpp來對常量進行宏定義，並引入一些預定義的文本宏($：text-subsitution macro，就是上面的LEAF、END之類的東西)。上面這個匯編文件就是這樣做的。這里，在把代碼提交給assembler之前，用cpp把兩個頭文件內嵌入匯編代碼文件。Mips/asm.h定義了宏LEAF和宏END（見下面），mips/regdef.h定義了慣用的寄存器的俗稱（conventional name），比如t0和a1(section 2.2.1)。

 

macro

        這里我們用了2個宏定義：LEAF和END。它們在mips/asm.h中定義被如下：

 #define           LEAF(name)    /

        .text; /

        .globl        name;       /

        .ent           name;       /

name:

        LEAF被用來定義一個簡單子函數(simple subroutine)，如果一個函數體內不調用其它函數，那么相對於整個調用樹(calling tree)而言，這個函數就是調用樹上的一片“葉子”，因此得名“leaf”。相對的，一個需要調用其它函數的函數，叫“nonleaf”，nonleaf函數必須多做很多麻煩的事情例如保存寄存器和返回地址，不過很少會真的需要自己寫一個nonleaf 的匯編代碼（$：這通常用 C語言來寫）。注意下面：

        .text          表示這段用匯編寫成的代碼應該放在“.text”段中，“.text”是C語言程序的代碼段。

        .globl        聲明“name”為全局變量，在模塊的符號表(symbol table)中作為全局唯一的符號而存在($：全局變量在整個程序內唯一；局部變量在其所在函數體中唯一；static變量在其所在文件內唯一)。

        .ent           對程序而言沒有實際意義，只是告訴assembler將這一點標志為“name”函數的起始點，為調試提供信息。

        .name       將其所在地址命名為“name”，作為assmbler的輸出。名為“name”的函數調用將從該地址開始。

END定義了兩個assembler需要的信息，都不是必須的。

#define     END(name)      /

        .size          name,       .-name;     /

        .end          name

        .size          表示在symbol table中，“name”函數體的大小(字節數)將與“name”符號一道列出。

        .end          指出函數尾。調試用信息。

 

.set           偽操作符(directive)，用來告訴assembler如何編譯。

在本例中，.noreorder表示禁止對代碼重排序，讓代碼嚴格保持其書寫的順序，否則MIPS assembler會嘗試將代碼重新排序——填補那些delay-slot以獲得較好的運行效率。Nowarn要求assembler不要費心去指出那些應該被重排序的地方，相信程序員已經處理好這些事情了。通常這不是個好主意——除非你確信你肯定正確。基本上這是個不必要的directive。

Labels：“1：”是數字標志label，大多數的assembler都會把它當作**局部**label來處理。像“1：”這種label，在程序里你想用多少都可以：你可以用“1f”引用reference下一個“1：”；用“1b”來引用前一個“1：”。這會很常用。

Instructions：一些指令的順序會有出乎預料的問題，你必須注意。.set noreorder這一directive使得delay-slot問題變得非常敏感而容易出問題，我們必須確保load的數據不會馬上被下一條指令用到。比如說：

        bne           t0,    t1,.t01

lbu             t2,    -1(a0)

        ……………

.t01:

        j               ra

subu          v0,   t0,t1        

這里lbu            t2,    -1(a0)一句中，用t2不能用t0，因為要執行的下一條指令subu             v0,   t0,t1         中要用到t0。

 

好，已經看過了一個例子，讓我們再看一些語法方面的東西。

 

9.2      語法概要Syntax Overview

在附錄B中你可以找到MIPS匯編器的語法列表，大多數的其它廠商的編譯器也都遵循這個列表的規則。當然，可能少數的directive的具體含義會有少許的差別。如果你以前在類unix(unix-like)的系統上用過assembler，那這個列表你應該會很熟悉。

 

9.2.1    Layout,     Delimiters,       and Identifiers

首先你得熟悉C語言，如果你熟悉C，那么注意，匯編代碼與C代碼有一些區別。

匯編代碼以行為分界，換行（end-of_line）表示一個指令或偽操作符directive的結束。你也可以在一行里寫多條指令或偽操作符，只要它們中間用“；”隔離開來。

以“#”開頭的行是注釋，assembler將忽略它。但是**不要把“#”放在行的最左面**：這將激活C預處理器cpp(C preprocessor)，有時候你可能會用到它。如果你確定你的代碼會經過C預處理器的預處理，那么你可以在你的匯編代碼中使用C風格的注釋方式：“/*…*/”，可以跨越多行，只要你樂意。

變量和label的名字(identifiers)可以隨意——只要在C語言里合法就行，甚至可以包含“$”和“。”。

在代碼中你可以使用0~99之間的數字作為label，它會被視為臨時性的符號，所以你可以在代碼中重復使用同一個數字作為label。在一個分支指令（branch instruction）中“1f”指向下一個“1：”，而“1b”指向前一個“1：”，這樣就不用費心為那些隨手而寫的跳轉和循環起名字了，省下這些名稱可以去命名那些子程序、還有那些比較關鍵的跳轉。

MIPS/SGI assembler通過C preprocessor的宏定義來提供寄存器的俗稱（conventional name）（$：zero,t0,~,ra），所以你必須用C preprocessor來對你的匯編代碼進行預處理，為此需要在代碼中包含include頭文件mips/regdef.h。雖然說規範的assembler通常可以識別這些寄存器的俗稱，但是為了代碼的通用性起見，還是不要把寶壓在這上面為好。

assembler的定位計數器指向正在編譯的當前指令的地址，你可以在匯編代碼中引用assembler的定位計數器的值。標識符“。”代表assembler當前的定位計數器的值。你甚至可以對它做有限的一些操作。在上下文中，label(或者其它什么可復位位的符號relocatable symbol)，將被替代為它的地址。

（$：類似於arm里adds r0,pc,symbol address - (。+8)這樣的操作。）

        固定字符和字符串的定義方式與C相同。

 

9.3指令規則 General Rules for Instructions

Mips assembler允許一些指令的簡略寫法。有時候，你提供的操作數operand少於機器碼所要求的，或者機器碼要求使用寄存器而你卻使用了常數，在某些情況下，assembler也會允許這種寫法，並自動進行調整。你將會發現，在真正的匯編代碼中這種情況非常頻繁。這一節我們將討論這個問題。

 

9.3.1    寄存器間運算指令

Mips 的運算指令有3個操作數。算術arithmetical或邏輯logical指令有2個輸入和一個輸出，例如：Rd        =      rs     +      rt，被寫成addu     rd,    rs,rt。

        這里的3個寄存器可以重復(例如addu      rd,    rd,rd)。在CISC-style的cpu（例如intel386）指令中，只有2個操作數，Mips assembler也支持這種風格的寫法，目的寄存器destination register可以同時作為一個源操作數source operand：例如：addu    rd， rs，這與addu         rd，rd，rs相同，assembler將自動將它轉換成后者。

        Mips assembler提供的指令集中有一些偽指令unary operation，比如Neg，not，這些偽指令實際上是一條或多條機器指令的組合。對這些指令，Assembler最大接受2個操作數。Negu   rd， rs實際上被轉化為subu        rd， zero,rs，而not        rd將被轉化為or    rd，zero，rs。

        可能最常用的寄存器間操作register-register operation要算是move  rd，rs了。這條指令實際上是or rd，zero，rs。

 

9.3.2:   帶立即數的運算指令

在assembler和機器語言里，嵌入在指令中的常數被稱為立即數immediate value。很多Mips的算術和邏輯指令都有另外一種形式，這種形式里rt寄存器被一個16bit的立即數所取代。在cpu的內部運算過程中，這個立即數將被擴展為32bit，可能是符號擴展sign-extend（$：用最左面的bit(bit15)填充擴展的高16bit），也可能是零擴展zero-extend（$：用0填充擴展的高16bit）——這取決於具體的指令。一般而言，算術指令進行符號擴展sign-extend，而邏輯指令進行零擴展zero-extend。

在機器指令的概念上，即便執行同一種運算，操作數中是否包含立即數的區別，將導致兩條不同的指令（例如add與addi）。盡管如此，對於程序員而言，還是沒有太大的必要去具體的區分那些包含立即數的指令。Assembler會找出它們，並進行轉換。比如：

addu          $2，$4，64    ————————>      addiu        $2，$4，64

如果立即數過大而超過了16bit所能表達的範圍，機器碼中將無法容納，這時assembler會再次幫助我們：它會自動將立即數載入“編譯用臨時寄存器assembler temporary register”at/$1中，然后進行如下操作：

add   $4，        0x12345  —————————>