将 C++ 转换为 MIPS

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集（Reduced Instruction Set Computing, RISC）架构的计算机处理器，常用于嵌入式系统和路由器等设备。本文将介绍如何将 C++ 代码转换为 MIPS 汇编代码。

环境准备

在进行转换之前，需要准备一些工具和环境：

• MARS（MIPS Assembler and Runtime Simulator）：一个用于 MIPS 汇编的 IDE，可以方便地调试和运行汇编程序。
• 一个文本编辑器，如 Visual Studio Code 或 Notepad++。

基本语法

MIPS 汇编语言与其他汇编语言相似，每条指令由操作码和操作数组成。基本语法如下：

opcode target, source1, source2

其中 opcode 是操作码，target、source1 和 source2 是操作数，在 MIPS 汇编中称为寄存器。MIPS 汇编共有 32 个通用寄存器，用 $ 加数字表示，例如 $0、$1、$2 等。加上()表示地址，例如($s0)表示$s0寄存器中的地址。下面是一些常用的指令：

• 赋值：add target, source1, $0，将 source1 的值赋给 target。
• 加法：add target, source1, source2，将 source1 和 source2 相加然后赋值给 target。
• 减法：sub target, source1, source2，将 source1 减去 source2 然后赋值给 target。
• 乘法：mult source1, source2，将 source1 与 source2 相乘，结果存在 $HI, $LO 寄存器中。
• 除法：div source1, source2，将 source1 除以 source2，商存在 $LO 寄存器中，余数存在 $HI 寄存器中。
• 加载：lw target, offset(source1)，将 source1 指向的内存地址加上 offset 然后将该位置的值读取出来赋给 target。
• 存储：sw source, offset(source1)，将 source 的值存储到 source1 指向的内存地址加上 offset 的位置。
• 跳转：j label，将执行的 PC（程序计数器）设置为 label 标记的位置。
• 条件跳转：beq s, t, label 或 bne s, t, label，根据 s 和 t 的值判断是否跳转到 label 标记的位置。

此外，MIPS 汇编还有一些伪指令（Pseudo-Instruction），可以简化一些常见操作的书写，例如：

• 加载地址：la target, label，将 label 标记的地址存储到 target 寄存器中。
• 存储字符：.asciiz "string"，将字符串写入内存中，每个字符占用 1 个字节，最后以空字符 \0 结尾。

转换过程

下面以一个简单的 C++ 程序为例，演示如何将其转换为 MIPS 汇编代码。

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 1, b = 2, c;
    c = a + b;
    cout << "a + b = " << c << endl;
    return 0;
}

数据段

首先是数据段，需要声明使用的内存空间和变量名称。在 MIPS 汇编中，可以使用 .data 伪指令和 .word 伪指令声明数据段。

.data
a: .word 1      # a 的初始值为 1
b: .word 2      # b 的初始值为 2
c: .word 0      # c 初始值为 0
nl: .asciiz "\n" # 换行符

上述代码中，.word 指令用于声明 32 位的数据空间，.asciiz 指令用于声明字符串。

代码段

接下来是代码段。可以使用 .text 伪指令声明代码段，并按照 C++ 程序的逻辑转换为 MIPS 汇编代码。

.text
main:
    # 初始化 $s0、$s1 和 $s2 寄存器
    li $s0, 1     # $s0 ← 1
    li $s1, 2     # $s1 ← 2
    li $s2, 0     # $s2 ← 0

    # 执行加法操作
    add $s2, $s0, $s1 # $s2 ← $s0 + $s1

    # 调用输出函数输出结果
    move $a0, $s2     # 将 $s2 的值作为参数 a0 传入 syscall
    la $a1, nl        # 将 nl 的地址作为参数 a1 传入 syscall
    li $v0, 4         # 设置系统调用编号为 4（print_str）
    syscall           # 调用系统调用

    # 退出程序
    li $v0, 10        # 系统调用退出程序
    syscall

在转换过程中需要注意以下几点：

• C++ 程序的主函数为 main()，在 MIPS 汇编中也需要使用 main: 标记声明。
• 在使用变量之前，需要先将其加载到寄存器中。本例中将 a、b 和 c 分别加载到 $s0、$s1 和 $s2 寄存器中。
• 在将结果输出之前，需要将输出函数需要的参数传入 $a0 和 $a1 寄存器中。$a0 传递输出值的地址，即 $s2 的地址；$a1 传递字符串的地址，即换行符 nl 的地址。
• 调用输出函数后需要使用 syscall 指令执行系统调用。

完整代码

下面是将 C++ 程序转换为 MIPS 汇编代码的完整代码。

.data
a: .word 1      # a 的初始值为 1
b: .word 2      # b 的初始值为 2
c: .word 0      # c 初始值为 0
nl: .asciiz "\n" # 换行符

.text
main:
    # 初始化 $s0、$s1 和 $s2 寄存器
    li $s0, 1     # $s0 ← 1
    li $s1, 2     # $s1 ← 2
    li $s2, 0     # $s2 ← 0

    # 执行加法操作
    add $s2, $s0, $s1 # $s2 ← $s0 + $s1

    # 调用输出函数输出结果
    move $a0, $s2     # 将 $s2 的值作为参数 a0 传入 syscall
    la $a1, nl        # 将 nl 的地址作为参数 a1 传入 syscall
    li $v0, 4         # 设置系统调用编号为 4（print_str）
    syscall           # 调用系统调用

    # 退出程序
    li $v0, 10        # 系统调用退出程序
    syscall

通过上述转换过程，即可将 C++ 代码转换为 MIPS 汇编代码。