MIPS 初探

这是一篇纯笔记文，很枯燥 ：）

1. MIPS32 汇编

1.1 寄存器

MIPS 中大量使用寄存器，原因是寄存器的存取可以在一个时钟周期内完成，同时也简化了寻址方式。MIPS 的指令中除加载/存储指令外，都是使用寄存器或立即数作为操作数的。寄存器可分为两类：通用寄存器与特殊寄存器。

1.1.1 通用寄存器（GPR）

MIPS32 架构中定义了 32 个通用寄存器，都是 32 位，使用 $0、$1 … $31 表示，也可以使用约定命名表示，如 $sp、$a0、$v0、$ra 等。下表显示了各个通用寄存器的约定用法。

编号 约定命名 约定用法
0 zero 始终为 0，常用于比较
1 $at 保留寄存器
2 ~ 3 $v0 ~ $v1 Values，保留表达式或函数的返回结果
4 ~ 7 $a0 ~ $a3 Arguments，作为函数的前 4 个参数
8 ~ 15 $t0 ~ $t7 Temporaries，供汇编程序使用的临时寄存器
16 ~ 23 $s0 ~ $s7 Saved values，子函数使用时需要先保存原寄存器的值
24 ~ 25 $t8 ~ $t9 Temporaries，供汇编程序使用的临时寄存器，补充 $t0 ~ $t7
26 ~ 27 $k0 ~ $k1 保留，中断处理函数使用
28 $gp Gloabl pointer，全局指针
29 $sp Stack pointer，指向栈顶
30 $fp Frame pointer，保存栈指针
31 $ra Return address，返回地址

1.1.2 特殊寄存器

MIPS32 架构中定义了 3 个特殊寄存器，分别是 PC（程序计数器）、HI（乘除结果高位寄存器）和 LO（乘除结果低位寄存器）。

在进行乘法运算时，HI 和 LO 分别保存结果的高 32 位和低 32 位；在进行除法运算时，HI 保留余数，LO 存储商。

1.2 MIPS 指令集特点

MIPS 指令集特点如下：

  • 固定 4 字节指令长度
  • 内存中的数据访问（load/store）严格 4 字节对齐
  • MIPS32 默认不把子函数的返回地址存放于栈中，而是存放在 $ra 中
  • 分支延迟效应

需要着重理解的是分支延迟效应。

MIPS 采用了高度流水线，其中最重要的效应就是分支延迟效应。任何一个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还没完成本条指令时，分支语句后面的那个指令就执行了。这是因为流水线效应，几条指令同时在执行，只是处于不同的阶段。分支延迟槽常用被利用起来完成一些参数初始化等相关工作。

mov $a0, $s2
jalr strchr
mov $a0, $s0

由于分支延迟效应的存在，strchr 函数的参数是来自第三行的 $s0，而不是第一行的 $a0。

2. 构建交叉编译与调试环境

2.1 编译 qemu

# source code
git clone git://git.qemu.org/qemu.gitcd qemu
git submodule init
git submodule update --recursive

# dependencies
sudo apt install libglib2.0 libglib2.0-dev
sudo apt install autoconf automake libtool

# build
cd qemu && ./configure
make
sudo make install

# test
ROOT=/home/chu/squashfs-root
cd $ROOT
qemu-mipsel -L $ROOT bin/ls

2.2 编译 buildroot

# source code
wget http://buildroot.uclibc.org/downloads/snapshots/buildroot-snapshot.tar.bz2
tar -xjvf buildroot-snapshot.tar.bz2

# dependencies
sudo apt install libncurses5-dev patch

# build
cd buildroot-snapshot && make clean && make menuconfig  # target architecture -> mips little endian
                                                        # target architecture variant -> mips 32
                                                        # toolchain, kernal headers -> your linux machine kernel version
make

2.3 调试

qemu 可以开启 gdb 远程调试，通过 IDA 添加 remote debugger 可以很方便的进行调试。

3. 实际调试过程

编写测试代码如下：

编译与测试：

开启 gdb server：

IDA 中静态分析：

IDA 远程调试：

4. 参考