MIPS基础入门

MIPS基础入门基础介绍 首先我们来介绍一下什么是mips，MIPS架构是一种采取 精简指令集（RISC）的处理器架构，1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权，它是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用 导入/存储（Load/Store）数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。

如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

环境模拟 我们的虚拟机基本都是ubuntu，也就是基于8086架构，所以这里我们学习mips需要理由qemu来模拟这个架构，而QEMU代表快速模拟器，是虚拟化领域的一个重要工具，能够在单个硬件平台上同时运行多个操作系统。以其能够仿真广泛的客户系统和架构而闻名，QEMU是创建和管理虚拟环境的多功能解决方案。它作为一个类型1虚拟机运行，直接与物理硬件接口，这与其他虚拟化技术有显著的不同。通过整合像Intel VT和AMD-V这样的硬件虚拟化技术，QEMU优化了虚拟机的性能，为开发人员和IT专业人员提供了一个强大的平台，用于模拟各种计算环境，无需为每个系统提供专用硬件。

下面是一个自动化脚本，运行可以得到完整配置的qemu和mips，现在我们来编译一个demo，看看怎么个事儿。

123456#include int main() { printf("Hello, MIPS!\n"); return 0;}

对于MIPS来说，有大端和小端两种格式，mips是大端，mipsel是小端，且都支持32位和64位的指令集。

1234567891011121314151617#32位小端序：mipsel-linux-gnu-gcc -g test.c -o test_mipsel_32#使用小端 MIPS 架构的编译器生成 32 位小端格式的可执行文件。#32位大端序：mips-linux-gnu-gcc -g test.c -o test_mips_32#使用大端 MIPS 架构的编译器生成 32 位大端格式的可执行文件。#64位小端序：mips64el-linux-gnuabi64-gcc -g test.c -o test_mipsel_64#使用小端 MIPS 64 位架构的编译器生成小端 64 位的可执行文件。#64位大端序：mips64-linux-gnuabi64-gcc -g test.c -o test_mips_64#使用大端 MIPS 64 位架构的编译器生成大端 64 位的可执行文件。

现在我们测试一下其中一个

然后我们就能模拟运行这个mips框架的elf文件了

12qemu-mips64el-static -L /usr/mips64el-linux-gnuabi64 ./test_mipsel_64

这里的-L /usr/mips-linux-gnu/指向MIPS库的位置，根据具体环境可能需要调整。这里是默认的位置，当然如果你的并不可以，那可以选择使用如下的语句来寻找

12dpkg -L libc6-mipsel-cross

MIPS指令集1. MIPS 指令集结构MIPS 指令集是精简指令集（RISC）架构的典型代表，所有指令长度为 32 位。指令分为三种类型：R 型、I 型 和 J 型，每种类型有不同的操作码格式。

R 型指令（寄存器-寄存器操作）：适用于寄存器之间的运算，通常包括算术和逻辑操作。Op段为0，使用funct字段区分指令

I 型指令（立即数操作）：适用于需要立即数或地址的操作。使用Op字段区分load/store指令

J 型指令（跳转操作）：用于跳转指令。使用Op字段区分指令

2. 指令分类MIPS 指令集主要分为以下几类：

以下是 MIPS 指令的详细执行表，包括操作数的来源和结果存储位置：

（1）算术运算指令

指令

功能

格式

执行描述

add

有符号整数加法

add rd, rs, rt

rd = rs + rt

addi

有符号整数加法（立即数）

addi rt, rs, imm

rt = rs + imm

sub

有符号整数减法

sub rd, rs, rt

rd = rs - rt

mult

有符号乘法

mult rs, rt

HI, LO = rs × rt（结果存储在 HI/LO 寄存器）

div

有符号除法

div rs, rt

LO = rs / rt, HI = rs % rt（商存 LO，余数存 HI）

（2）逻辑运算指令

指令

功能

格式

执行描述

and

按位与

and rd, rs, rt

rd = rs & rt

andi

按位与（立即数）

andi rt, rs, imm

rt = rs & imm

or

按位或

or rd, rs, rt

rd = rs

ori

按位或（立即数）

ori rt, rs, imm

rt = rs

xor

按位异或

xor rd, rs, rt

rd = rs ^ rt

nor

按位取反或

nor rd, rs, rt

rd = ~(rs

（3）移位指令

指令

功能

格式

执行描述

sll

左移

sll rd, rt, shamt

rd = rt << shamt

srl

逻辑右移

srl rd, rt, shamt

rd = rt >> shamt（高位补 0）

sra

算术右移

sra rd, rt, shamt

rd = rt >> shamt（高位补符号位）

（4）数据传输指令

指令

功能

格式

执行描述

lw

加载字

lw rt, offset(rs)

rt = *(rs + offset)（从 rs + offset 地址加载 4 字节到 rt）

sw

存储字

sw rt, offset(rs)

*(rs + offset) = rt（将 rt 存到 rs + offset 地址）

lb

加载字节

lb rt, offset(rs)

rt = *(rs + offset)（加载 1 字节，符号扩展到 32 位）

sb

存储字节

sb rt, offset(rs)

*(rs + offset) = rt（仅存储 rt 的低 8 位到 rs + offset）

（5）条件分支指令

指令

功能

格式

执行描述

beq

等于则跳转

beq rs, rt, label

if (rs == rt) goto label

bne

不等则跳转

bne rs, rt, label

if (rs != rt) goto label

bgtz

大于零则跳转

bgtz rs, label

if (rs > 0) goto label

blez

小于等于零则跳转

blez rs, label

if (rs <= 0) goto label

（6）跳转指令

指令

功能

格式

执行描述

j

无条件跳转

j label

goto label

jal

跳转并链接

jal label

ra = PC + 4; goto label（保存返回地址）

jr

寄存器跳转

jr rs

goto rs（跳转到 rs 指向的地址）

3. 特殊指令

syscall：用于系统调用，通常用于程序和操作系统之间的交互。

nop：空操作指令，执行时不产生任何效果，通常用于指令延迟槽。

MIPS 寄存器常用寄存器

名称

编号

作用

说明

$zero

$0

常数 0

值恒为 0，无法更改

$at

$1

汇编器临时寄存器

由汇编器内部使用，不建议手动操作

$v0-$v1

$2-$3

函数返回值

32 位返回值存于 $v0，64 位返回值存于 $v0, $v1

$a0-$a3

$4-$7

函数参数

依次存放第 1-4 个参数，更多参数需使用栈

$t0-$t7

$8-$15

临时寄存器

不需要保持值，函数调用后可能被覆盖

$s0-$s7

$16-$23

保存寄存器

需要保持值，函数调用时需保存和恢复

$t8-$t9

$24-$25

额外临时寄存器

用法同 $t0-$t7

$k0-$k1

$26-$27

内核保留寄存器

仅操作系统使用，用户程序不应修改

$gp

$28

全局指针

指向全局数据区

$sp

$29

栈指针

指向栈顶，函数调用时维护

$fp

$30

帧指针

用于存储栈帧地址（可选）

$ra

$31

返回地址

jal 指令跳转时存储返回地址

特殊寄存器

名称

作用

HI

存储乘法的高 32 位结果或除法的余数

LO

存储乘法的低 32 位结果或除法的商

PC

程序计数器，存储当前执行指令的地址

MIPS特性1. 指令集架构

固定指令长度：所有 MIPS 指令都是 4 字节（32 位），符合 RISC（精简指令集计算机）设计理念。

流水线优化：MIPS 采用 多级流水线，提高指令执行效率，但也带来了分支延迟效应和载入延迟效应。

分支延迟槽（Branch Delay Slot）

：

由于流水线特性，分支跳转指令后的一条指令仍会执行，称为分支延迟槽。

典型情况下，这条指令是 nop（无操作），但可以替换为对程序无害的有用指令。

2. 内存与栈管理

栈增长方向：MIPS 架构的栈（Stack）从高地址向低地址增长。

缓存（Cache）机制

：

指令缓存（I-Cache） 和 数据缓存（D-Cache） 独立存储，指令和数据不会混用。

执行代码必须先经过缓存刷新，否则数据缓存中的 shellcode 可能不会被执行，通常执行 sleep(1) 触发缓存刷新。

3. 函数调用约定

叶子函数（Leaf Function）：函数内部没有调用其他函数，仅使用 $t0-$t9 作为临时寄存器。

非叶子函数（Non-Leaf Function）：函数内部调用了其他函数，需要保存 $ra（返回地址寄存器） 以及可能被覆盖的 $s0-$s7 寄存器。

4. MIPS 代码执行安全性

指令与数据分离

：

由于指令和数据分别存储在 I-Cache 和 D-Cache，在代码注入攻击中，如果 D-Cache 没有同步刷新到 I-Cache，则 shellcode 可能不会执行。

解决方案：使用 sleep(1) 或 flush cache 触发缓存同步。

5. MIPS 指令特点

RISC 设计：指令种类少，每条指令执行时间固定。

加载/存储架构（Load/Store Architecture）

：

只有 lw（加载字） 和 sw（存储字） 指令可以访问内存，其他指令只能操作寄存器。

延迟槽优化：跳转指令的下一条指令仍会被执行，需手动填充 nop 或有用的指令。

MIPS 体系结构核心特性概述

特性

说明

指令长度

所有指令都是 4 字节（32 位）

流水线效应

分支延迟槽，跳转指令后的一条指令仍会执行

栈方向

从高地址向低地址增长

缓存结构

独立的 I-Cache 和 D-Cache，代码执行前需刷新缓存

调用约定

叶子函数不保存 $ra，非叶子函数需保存 $ra 和 $s0-$s7

加载存储架构

只有 lw / sw 访问内存，其他指令操作寄存器

安全性

shellcode 可能因缓存未同步导致执行失败，需要 flush

MIPS系统调用码MIPS 系统调用（syscall）使用 $v0 寄存器指定调用码，不同的调用码执行不同的系统功能。以下是常见的 MIPS 系统调用码表：

调用码（$v0）

函数名字

功能

调用条件

1

print_int

打印整数

$a0 = 要打印的整数

2

print_float

打印浮点数（单精度）

$f12 = 要打印的浮点数

3

print_double

打印双精度浮点数

$f12 = 要打印的双精度浮点数

4

print_string

打印字符串

$a0 = 字符串地址

5

read_int

读取整数

读取的整数存入 $v0

6

read_float

读取浮点数（单精度）

读取的浮点数存入 $f0

7

read_double

读取双精度浮点数

读取的双精度浮点数存入 $f0

8

read_string

读取字符串

$a0 = 缓冲区地址, $a1 = 最大长度

9

sbrk

分配内存（返回地址）

$a0 = 需要分配的字节数，返回分配的内存地址于 $v0

10

exit

退出程序

无

11

print_char

打印字符

$a0 = 要打印的字符

12

read_char

读取字符

读取的字符存入 $v0

13

open

打开文件

$a0 = 文件名地址, $a1 = 访问模式, $a2 = 权限（可选），返回文件描述符

14

read

读取文件

$a0 = 文件描述符, $a1 = 读取缓冲区, $a2 = 读取字节数，返回读取的字节数

15

write

写入文件

$a0 = 文件描述符, $a1 = 写入缓冲区, $a2 = 写入字节数，返回写入的字节数

16

close

关闭文件

$a0 = 文件描述符

17

exit2

退出程序（带返回值）

$a0 = 退出码

示例：1234li $v0, 1 # 设置 syscall 码为 1（print_int）li $a0, 123 # 要打印的整数syscall # 执行系统调用

以上代码会打印 123。

MIPS syscall 机制允许程序通过 syscall 指令调用操作系统提供的服务，适用于 MIPS 汇编语言模拟器（如 MARS、SPIM）。