MIPS计算器开发遇运行时异常：地址未按字边界对齐

问题描述 #

开发MIPS计算器时，需读取用户输入的运算符号存入数据段，后续取出用于比较。但执行lw $t4, stopsign和lw $t5, addb时，始终触发运行时异常：

Runtime exception at 0x004000b8: fetch address not aligned on word boundary 0x1001005a

而lw $t3, mulb和lw $t6, subb无异常，怀疑是字符(!/+)导致问题，相关代码如下：

.data

IfStart: .asciiz "Start Calculator? (0: no, 1: yes):"
msg: .asciiz "Enter operation symbol (+, -, *) or ‘!’ to quit:"
mulb: .asciiz "*"
addb: .asciiz "+"
subb: .asciiz "-"
stopsign: .asciiz "!"
newline: .asciiz "\n"
pick1: .asciiz "Enter first number (A):"
pick2: .asciiz "Enter second number (B):"
badnumber: .asciiz "Bad input\n"
bye: .asciiz "Good bye!"
one: .word 1
result: .asciiz "The result is:"
buffer: .space 20

.text

main:

li $v0,4 
la $a0,IfStart
syscall

li $v0,5 #get number from user
syscall 

move $t0,$v0


lw $t1, one

beq $t1,$t0,if1
beq $zero,$t0,if0

li $v0,4 
la $a0,badnumber
syscall

li $v0,4 
la $a0,bye
syscall

li $v0,10
syscall

if1: 
jal Calculator

if0:
li $v0,4 
la $a0,bye
syscall

li $v0,10
syscall



Calculator:

li $v0,4 #print first message
la $a0,msg
syscall

li $v0,8 #take in input
la $a0, buffer #load byte space into address
li $a1, 20 # allot the byte space for string
move $t2,$a0 #save string t2
syscall

li $v0,5 #Read int A
syscall 

move $t0,$v0 #t0 is A

li $v0,5 #Read int B
syscall 

move $t1,$v0 #t1 is B

lw $t3, mulb #mul sign
lw $t6, subb #sub sign
lw $t4, stopsign
lw $t5, addb #add sign




beq $t3,$a0,stop
beq $t4,$a0,multp
beq $t5,$a0,adds
beq $t6,$a0,subbs

multp:
jal Multiply
j print

adds:
jal Sum
j print

subbs:
jal Substract

print:
li $v0,4 #print the result is:
la $a0,result
syscall

#print result
li $v0, 1
move $a0, $t3
syscall

li $v0,4 #print new line
la $a0,newline
syscall

jal Calculator
stop:
li $v0,10
syscall

问题原因 #

MIPS架构的lw（加载字）指令要求访问的内存地址必须是字对齐的（即地址值能被4整除）。而.asciiz定义的字符串会自动在末尾添加null终止符（\0），每个字符串占用2字节（字符+null）。数据段中变量按顺序存储，前几个字符串的地址排列刚好让mulb和subb的地址是4的倍数，而stopsign和addb的地址不满足对齐要求，因此执行lw时触发异常——这和字符本身无关，完全是地址对齐问题。

解决方案 #

1. 改用字节加载指令：我们只需要单个字符的ASCII值，用lb（加载字节）指令替代lw，lb不要求地址对齐，能正确读取单个字符：

   lb $t3, mulb #mul sign
   lb $t6, subb #sub sign
   lb $t4, stopsign
   lb $t5, addb #add sign
   

2. 强制地址对齐：在数据段中每个字符串前添加.align 2指令，强制让变量地址按字对齐：

   .data
   IfStart: .asciiz "Start Calculator? (0: no, 1: yes):"
   msg: .asciiz "Enter operation symbol (+, -, *) or ‘!’ to quit:"
   .align 2
   mulb: .asciiz "*"
   .align 2
   addb: .asciiz "+"
   .align 2
   subb: .asciiz "-"
   .align 2
   stopsign: .asciiz "!"
   

3. 修正比较逻辑：当前代码中beq $t3,$a0,stop的比较逻辑错误——$a0是buffer的内存地址，而$t3是字符的ASCII值，应该读取buffer中的第一个字符再和运算符号的ASCII值比较：

   # 在读取完运算符号输入后，添加以下代码
   lb $t7, ($t2)  # 从buffer中读取输入的第一个字符
   # 修正比较指令
   beq $t4,$t7,stop
   beq $t3,$t7,multp
   beq $t5,$t7,adds
   beq $t6,$t7,subbs
   

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Shalev Levi Sagzan