Question

作为任务的一部分，我仍在尝试开发MIPS汇编器。我得到了这些输入和输出文件。

main:   lw $a0, 0($t0)          
begin:  addi $t0, $zero, 0      # beginning
    addi $t1, $zero, 1
loop:   slt $t2, $a0, $t1       # top of loop
    bne $t2, $zero, finish
    add $t0, $t0, $t1
    addi $t1, $t1, 2
    j loop              # bottom of loop
finish: add $v0, $t0, $zero

，输出应为以下机器代码：

10001101000001000000000000000000
00100000000010000000000000000000
00100000000010010000000000000001
00000000100010010101000000101010
00010101010000000000000000001000
00000001000010010100000000100000
00100001001010010000000000000010
00001000000000000000000000000011
00000001000000000001000000100000

我注意到代表指令“ j循环”的机器代码是

00001000000000000000000000000011

根据J型指令格式，最后26位将代表目标地址。我从上面编写的二进制代码中注意到，此跳转指令的目标地址（基本上是“循环”的地址）是00000000000000000000000011，即3。

我开发了该程序的版本，但是它为“循环”而检索到的目标地址却要大得多。

我想知道是否可以通过任何方式将程序计数器初始化为0或其他任何方式，以便获得与给定输出文件中的目标地址相同的目标地址。程序计数器到底如何工作？它会为每一行代码递增吗？

请告知。谢谢！

Answer 1

这里有很多的复杂性，可以用于任何形式的完整答案。不过，对于MIPS组装，我们[请参见下面的评论]可能会有所休息。

我们需要考虑寻址模式和相对寻址与绝对寻址的概念。这是因为，像zwol mentioned in a comment一样，编译器和汇编器的输出通常实际上不是准备运行的 code ，而是真正的目标文件，由 linker 和/或 loader 解释的指令。

链接器是一个程序，它接收多个目标文件并将它们组合成一个更完整的程序。这可以采取其他目标文件的形式，也可以采取本质上是目标文件集合的库的形式。如果库格式足够简单，则可以通过聚合目标文件来构建库，并可以选择添加目录，但是有时您需要进行一定数量的预链接，以将特定的目标文件连接到一起牢不可破的单元，以后可以链接到更多目标文件或库。链接器可能非常复杂，因为它们可能必须处理符号名（函数名和变量名）并为调试器提供信息（符号表，内存区域描述等）。

加载器提取经常被链接器至少部分解析，有时甚至完全解析的目标文件，并将其加载到内存中。一些加载程序本身就是链接程序，通常称为 runtime 链接程序或 runtime 加载程序。这样，可执行的目标文件就可以在运行时加载其他目标文件，而不是预先预先链接所有内容。

不过，通常是由加载时操作将实际地址分配给代码和数据。目标文件可能包含说明，说明代码可以在任何地方运行，或者代码必须在某个特定（固定）地址上运行。相同的规则可能适用于数据。如果需要固定地址，则该地址可能不可用，因此通常需要可重新定位的代码-可以从某种默认地址移动到另一个不同地址的代码。

这导致了相对寻址的概念。假设机器通过重复执行一些非常简单的步骤来工作：

从IP（指令指针）或PC（程序计数器）寄存器给定的地址加载指令。
将该寄存器增加一些常数，例如4。
执行刚刚加载的指令。

分支指令由一个指令组成，该指令用于更改 IP / PC寄存器，或者更改为一些新值，或者加或减一些值。

现在，假设可执行对象文件建议，例如，将程序加载到地址0x04000000。进一步假设第十条指令（将位于地址0x04000028）是一个分支指令，并且需要进行设置，以便从{{1 }}，即 third 指令：

0x0400000c

鉴于上面的模型，IP或PC寄存器将在执行指令＃10的过程中跳转到指令＃3的04000000 instruction#0 04000004 instruction#1 04000008 instruction#2 0400000c loop: instruction#3 04000010 #4 04000014 #5 04000018 #6 0400001c #7 04000020 #8 04000024 #9 04000028 j loop 0400002c保持值j loop，因为我们已描述了该操作作为“加载，以4为增量，执行”。

如果我们需要使用绝对寻址，我们需要实际的0400002c指令将字面值j loop 直接填充到指令中-指针寄存器。但是，可能只有 loader 知道程序是否真的在0400000c上运行。如果使用了该地址，则加载程序可能已将程序移至04000000，现在要推入i-p寄存器的值为08000000。

但是，如果我们使用的是 relative 寻址，则0800000c指令需要汇编为机器代码，而不是“转到j loop”，而是“转到从我们现在的位置0400000c向前或向后退到我们要位于0400002c的位置”。显然，这是一个向后的跳跃，增加了0400000c或20（十六进制，32十进制）字节，或八条指令的价值。

编辑：请参阅下面的评论，下一部分是错误的-我依靠其他StackOverflow答案和我引用的网页来假设PC相对跳转。我已经对其进行了更新，以对0400002c - 0400000c指令使用绝对寻址。

MIPS处理器使用称为j的寄存器（但难以访问），并支持条件分支中的相对寻址（例如，pc；请参见Assembly PC Relative Addressing Mode ）。因此，某些复杂性可能会消失：我们只需要指示CPU向后跳八条指令，即向PC寄存器添加负八位即可。 CPU自动将此值乘以4，以便将负值加32。如果我们确实加载到beq，则04000000将是pc，并将其移回原位将其更改为0400002c，这正是我们想要的。如果实际上是将我们加载到0400000c，则相同的 relative 移动将我们降落到08000000，这正是我们想要的。

如果我们使用0800000c指令，情况就是这样。但是b指令在256 MB的区域内是绝对的：它们只是覆盖程序计数器的低28位。

通常，我们将有一个汇编器输出带有重定位类型的绝对j指令，该指令将告诉任何运行时加载器：添加所需的任何加载时偏移。因此，我们只需要确保在组装时知道打算的加载位置（无论是jump还是0等等），并且我们将为04000000指令，目标指令的绝对地址，还有一些其他链接器/加载器指令，它们表示：该指令中的常量可能需要在链接或加载时进行调整。链接器和加载器必须足够聪明，才能理解寻址限制：移动程序以使 not 正常，以便使原来适合一个256 MB区域的程序现在跨两个此类区域（如果代码段使用） j说明在一个区域内跳转。

（网站https://en.wikibooks.org/wiki/MIPS_Assembly/MIPS_Details声称j是相对的，但这似乎是错误的；请参见注释。）

（请注意，负数表示为二进制补码。由于j指令采用26位相对地址，它会自动为您乘以4，因此它可以表示28位地址范围，从- 2 ²⁷到2 ²⁷ -1或j，以4为步长。）

（MIPS汇编程序）我们可以自行初始化程序计数器吗？

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