ΠΛΕ- 027 Μικροεπεξεργαστές

Transcript

1 ΠΛΕ- 027 Μικροεπεξεργαστές 2ο μάθημα: γλώσσα μηχανής MIPS, προγραμματισμός assembly Αρης Ευθυμίου Πηγές διαφανειών: συνοδευτικές διαφάνειες αγγλικης εκδοσης του βιβλιου

2 Σύνολο εντολών μηχανής Το λεξιλόγιο εντολών του υπολογιστή InstrucLon Set Architecture ISA καθορίζει την αρχιτεκτονική ενός υπολογιστή επεξεργαστή Κάθε επεξεργαστής (ή οικογένεια επεξεργαστών) έχει το δικό του σετ εντολών Με πολλά κοινά γνωρίσματα: αν γνωρίζει κανείς ένα σε βάθος, μπορεί εύκολα να μάθει άλλα Αρχικοί υπολογιστές (του 40) είχαν πολύ απλά σετ εντολών Ελάχιστες εντολές είναι απόλυτα απαραίτητες Απλοποίηση της υλοποίησης Πολλοί σύγχρονοι υπολογιστές έχουν επίσης απλά σετ εντολών ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

3 Το σύνολο εντολών MIPS Χρησιμοποιείται ως παράδειγμα στο βιβλίο PH Ξεκίνησε από το Stanford αναπτύχθηκε/ αξιοποιήθηκε από την εταιρία MIPS Technologies ( Μεγάλο μερίδιο αγοράς ενσωματωμένων συστημάτων (embedded) consumer electronics, network/storage equipment, cameras, printers, Σχετικά απλό και παρόμοιο με πολλές σύγχρονες ISAs ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

4 Επιτυχημένες ISAs ARM (Advanced RISC Machine) η πιο δημοφιλής αρχιτεκτονική RISC Σχεδόν σε κάθε κινητό τηλέφωνο και σε πολλες άλλες συσκευές Intel IA32 (80x86) είναι μια πολύ δημοφιλής ISA και χρησιμοποιείται σε όλα τα PC Υπάρχουν περίπου 20x περισσότεροι επεξεργαστές ARM από ότι 80x86 ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

5 Αριθμητικές πράξεις Πρόσθεση (και αφαίρεση) με 3 τελεστέους (operands) add a, b, c Πρόσθεσε το b με το c και βάλε το αποτέλεσμα στο a Η μεταβλητή του αποτελέσματος λέγεται προορισμός (deslnalon) Οι άλλες δύο λέγονται πηγές (source) Ολες οι αριθμητικές εντολές έχουν αυτή τη μορφή Σχεδιαστική αρχή 1: η απλότητα (simplicity) ευνοεί την ομοιομορφία (regularity) Ομοιομορφία απλοποιεί την υλοποίηση Απλότητα επιτρέπει μεγαλύτερη απόδοση με μικρότερο κόστος ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

6 Παραδείγμα εντολών Οι εντολές MIPS δεν είναι ευέλικτες: Μόνο μια αριθμητική πράξη ανά εντολή Πάντα με 3 τελεστέους Πώς γράφεται η παρακάτω έκφραση σε MIPS; a = b + c + d + e add t1, d, e add t2, c, t1 add a, b, t2 ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

7 Αλλες αριθμητικές πράξεις Operation C MIPS Αριστερή ολίσθηση << sll Δεξιά ολίσθηση >> sra Αφαίρεση - sub Πολλαπλασιασµός * mul Διαίρεση / div a << b - - a*2 b a >> b - - a/2 b ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

8 «Λογικές» πράξεις Εντολές για χειρισμό σειρών από bit Operation C MIPS Shift left << sll Shift right >> srl Bitwise AND & and Bitwise OR or Bitwise NOT ~ nor Χρησιμοποιούνται για εξαγωγή- εισαγωγή μεμονομένων bit σε λέξεις 32- b ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

9 Πράξη AND Απομονώνει bits σε μια λέξη χρησιμοποιώντας μια «μάσκα» Απομονώνει κάποια, καθαρίζει τα υπόλοιπα σε 0 Δεν αλλάζει την αρχική «μεταβλητή» and a, b, c c b a ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

10 Πράξη OR Χρησιμοποιείται για να προσθέσει bits σε μια λέξη Θέτει κάποια bit σε 1, αφήνει τα υπόλοιπα ώς έχουν or a, b, c c b a ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

11 Πράξη NOT Αντιστρέφει (invert) bits σε μια λέξη Αλλάζει τα 0 σε 1, και τα 1 σε 0 Ο MIPS δεν έχει NOT αλλά έχει NOR 3- τελεστέων: a NOR b == NOT ( a OR b ) nor a, b, $zero καταχωρητής 0: δίνει πάντα τη τιμή 0 b a ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

12 Αριθμητικό παράδειγμα Κώδικας C: f = (g + h) - (i + j); Αντίστοιχος κώδικας MIPS: add t0, g, h # temp t0 = g + h add t1, i, j # temp t1 = i + j sub f, t0, t1 # f = t0 - t1 Σχόλιο (του συμβολομεταφραστή, assembler) από το # μέχρι το τέλος της γραμμής ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

13 Τελεστέοι Σε προγράμματα υψηλού επιπέδου, τελεστέοι είναι μεταβλητές και σταθερές και κλήσεις συναρτήσεων, που είναι στην ουσία μεταβλητές Σε συμβολική γλώσσα MIPS, υπάρχει περιορισμένος αριθμός άμεσα προσπελάσιμων μεταβλητών (32) που λέγονται καταχωρητές (registers) H μνήμη χρησιμοποιείται για περισσότερες μεταβλητές Ο πρώτος μου υπολογιστής είχε συνολικά 26 μεταβλητές για προγραμματισμό σε BASIC! (Casio PB- 100) Υπάρχουν και σταθερές που είναι κωδικοποιημένες μέσα στην εντολή (περισσότερα σε λίγο) ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

14 Καταχωρητές Ο MIPS έχει bit καταχωρητές (register file) Αριθμημένοι από 0 ως 31 Δεδομένο 32- bit λέγεται λέξη (word) Αλλες αρχιτεκτονικές ονομάζουν λέξεις 16 ή 64 bit Σχεδιαστική Αρχή 2: Το μικρότερο είναι ταχύτερο σύγκριση με κύρια μνήμη: εκατομύρια θέσεις αποθήκευσης Συμβολικά ονόματα καταχωρητών $0, $1,, $31, ή $t0, $t1,, $t9 για προσωρινές μεταβλητές $s0, $s1,, $s7 για «αποθηκευμένες» (saved) $zero και άλλα ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

15 Παράδειγμα με καταχωρητές τελεστέους Κώδικας C: f = (g + h) - (i + j); f,, j αντιστοιχούν σε $s0,, $s4 Αντίστοιχος κώδικας MIPS: add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1 ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

16 Τελεστέοι από τη μνήμη Η κύρια μνήμη αποθηκεύει σύνθετα δεδομένα (και όσα απλά δεδομένα δεν χωρούν στους καταχωρητές) πίνακες (Arrays), δομές/αντικείμενα (structures/ objects), δυναμικά δεδομένα Αλλά οι εντολές χειρισμού δεδομένων του MIPS δέχονται μόνο καταχωρητές για τελεστέους πρέπει να «φορτώσουμε» (load) τιμές από τη μνήμη σε καταχωρητές και να αποθηκεύσουμε (store) αποτελέσματα πίσω στη μνήμη ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

17 Μοντέλο μνήμης Η αρχιτεκτονική ορίζει και το μοντέλο μνήμης Για το MIPS (και πολλούς άλλους επεξεργαστές): Η μνήμη είναι διευθυνσιοδοτημένη κατά byte Μια διεύθυνση αντιστοιχεί σε ένα 8- bit byte Λέξεις (32- bit) πρέπει να είναι ευθυγραμισμένες (aligned)στη μνήμη Εχουν διεύθυνση πολλαπλάσιο του 4 Ο MIPS είναι Big Endian Το πιο σημαντικό byte βρίσκεται στη χαμηλότερη διεύθυνση της λέξης ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

18 Παράδειγμα με τελεστέους μνήμης Κώδικας C: g = h + A[8]; g: $s1, h: $s2, A πίνακας λέξεων, διεύθυνση βάσης του A: $s3 Αντίστοιχος κώδικας MIPS: θέση 8 απαιτεί απόσταση απο τη αρχική διεύθυνση ίση με 32 4 bytes ανά λέξη lw $t0, 32($s3) add $s1, $s2, $t0 # load word offset base register ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

19 Παράδειγμα με τελεστέους μνήμης Κώδικας C: A[12] = h + A[8]; h: $s2, διεύθυνση βάσης του A: $s3 Αντίστοιχος κώδικας MIPS: lw $t0, 32($s3) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 48($s3) # load word # store word ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

20 Καταχωρητές και μνήμη Οι καταχωρητές προσπελαύνονται γρηγορότερα από τη μνήμη Πράξεις με δεδομένα στη μνήμη απαιτούν φορτώσεις και αποθηκεύσεις Περισσότερες εντολές στο πρόγραμμα πιο αργό Ο μεταφραστής πρέπει να χρησιμοποιεί καταχωρητές όσο γίνεται περισσότερο Αδειασμα (spill) στη μνήμη για τις λιγότερο χρησιμοποιούμενες μεταβλητές Βελτιστοποίηση χρήσης καταχωρητών είναι σημαντική ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

21 Αμεσοι Τελεστέοι (immediate) Σταθερές τιμές που καθορίζονται από την ίδια την εντολή κωδικοποιούνται μέσα στην εντολή (γι αυτό λέγονται άμεσοι) είναι πάντα ο δεύτερος τελεστέος μόνο έχουν περιορισμένο εύρος τιμών Παράδειγμα: addi $s3, $s3, 4 Δεν υπάρχει αντίστοιχη εντολή αφαίρεσης addi $s2, $s1, -1 Σχεδιαστική αρχή 3: Κάνε τη συνηθισμένη περίπτωση να δουλεύει γρήγορα Μικρές σταθερές χρησιμοποιούνται πολύ Αποφεύγουμε μια επιπλέον εντολή φόρτωσης ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

22 Το μηδέν Ο καταχωρητής 0 του MIPS ($0 ή $zero) είναι πάντα 0 Εγγραφές σε αυτόν αγνοούνται Χρήσιμο για πολλές κοινές πράξεις π.χ. μεταφορά τιμής μεταξύ καταχωρητών add $t2, $s1, $zero ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

23 Σταθερές 32 bit στο MIPS Κάθε εντολή του MIPS κωδικοποιείται σε μία λέξη (32- b) λεπτομέρειες σε λίγο Αρα δεν μπορούμε να έχουμε μεγάλες άμεσες σταθερές πάνω από 16bit σπάνια χρειάζονται μεγάλες σταθερές Τις κατασκευάζουμε χρησιμοποιώντας 2 εντολές ή τις αποθηκεύουμε στη μνήμη και φορτώνουμε με μία lw Load Upper Immediate (lui or Louie ) γράφει 16 bits στα επάνω 16 bits του καταχωρητή προορισμού και μηδενίζει τα υπόλοιπα Για να φορτώσουμε την παρακάτω σταθερά 32- bit στο $s two : lui $s0, 61 # 61 = two ori $s0, $s0, 2304 # 2304 = two ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

24 Τύποι δεδομένων Οι γλώσσες προγραμματισμού έχουν προκαθορισμένους τύπους δεδομένων π.χ. char, int, unsigned int, float, bool, Παρόμοια η αρχιτεκτονική ορίζει τύπους δεδομένων Ο MIPS υποστηρίζει ακέραιους (προσημασμένους) και απρόσημους (θετικούς) ακέραιους με μέγεθος 32 (word), 16 (half- word), 8 (byte) η υποστήριξη 8, 16 περιορίζεται σε μεταφορά από/προς μνήμη αριθμούς κινητής υποδιαστολής απλής ή διπλής ακρίβειας ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

25 Εντολές με Byte/Halfword Μπορεί να χρησιμοποιήσει κανείς 32b λέξεις και να εξάγει bytes/halfwords με λογικούς τελεστές και μάσκες Ο MIPS διαθέτει εντολές load/store για byte/halfword Επεξεργασία χαρακτήρων χρειάζεται συχνά lb rt, offset(rs) lh rt, offset(rs) Επέκταση προσήμου σε 32 bits στον καταχωρητή rt sb rt, offset(rs) sh rt, offset(rs) Αποθήκευση μόνο του δεξιού (λιγότερο σημαντικού) byte/ halfword ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

26 Επέκταση προσήμου Αναπαράσταση αριθμού με περισσότερα bits διατηρώντας την αριθμητική τιμή Χρήση στις εντολές MIPS addi,lw,sw: επέκταση της άμμεσης τιμής lb, lh: επέκταση του φορτωμένου byte/halfword... Αντιγραφή του bit προσήμου προς τα αριστερά Απρόσημες τιμές: επέκταση με 0 Παραδείγματα: 8- bit σε 16- bit +2: => : => ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

27 Απρόσημοι ακέραιοι Χρειάζονται χωριστές εντολές για αφαίρεση, σύγκριση subu, addiu, Ο MIPS έχει και απρόσημη πρόσθεση addu οι κανόνες για υπερχείληση είναι διαφορετικοί Για μεταφορές από μνήμη ποσοτήτων μικρότερων της λέξης επίσης έχει σημασία αν ο αριθμός δεν έχει πρόσημο τα bit αριστερά συμπληρώνονται με 0 lbu load byte unsigned lhu load half- word unsigned ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

28 Χαρακτήρες Κωδικοποίηση σε Bytes ASCII: 128 χαρακτήρες 95 χαρακτήρες, 33 ειδικοί χαρακτήρες (αλλαγή γραμμής,...) LaLn- 1: 256 χαρακτήρες ASCII, +96 περισσότεροι χαρακτηρες (τόνοι κτλ) Unicode: Υποστηρίζει τα περισσότερα αλφάβητα του κόσμου και διάφορα σύμβολα Χρησιμοποιείται στη Java, C++ wide characters, UTF- 8, UTF- 16: κωδικοποιήσεις μεταβλητού μήκους Γενικά δεν υποστηρίζονται απ ευθείας σε γλώσσες μηχανής αλλά υπάρχει υποστήριξη για πράξεις με ποσότητες 8, 16 bit ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

29 Υπολογιστικές αποφάσεις Βασισμένο σε προηγούμενους υπολογισμούς, το πρόγραμμα κάνει κάτι διαφορετικό Γλώσσες υψηλού επίπέδου: if- statement παρόμοια και για επαναλλήψεις (αν ισχύει μια συνθήκη επανέλαβε εντολες) Σπάνια συνοδεύεται με εντολές goto και ετικέτες (labels) MIPS: bxx register1,register2,l1 συνεχισε από την εντολή με την ετικέτα L1 αν η τιμή του register1 με την τιμή του register2 έχουν την σχέση που ορίζεται από το XX (ισότητα,...) αλλιώς συνέχισε στην επόμενη εντολή ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

30 Πράξεις υπό συνθήκη Διακλάδοση της ροής προγράμματος σε μια εντολή με ετικέτα αν μια συνθήκη είναι αληθινή αλλιώς η ροή συνέχίζεται με την επόμενη εντολή στη σειρά beq rs, rt, L1 Αν οι τιμές (rs == rt) διακλάδωση στην εντολή με ετικέτα L1; bne rs, rt, L1 Αν οι τιμές (rs!= rt) διακλάδωση στην εντολή με ετικέτα L1; j L1 υποχρεωτική διακλάδοση (άλμα jump) στην εντολή με ετικέτα L1 ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

31 Μετάφραση εντολών If Κώδικας C: if (i==j) f = g+h; else f = g-h; f, g, στους καταχωρητές $s0, $s1, Αντίστοιχος κώδικας MIPS: bne $s3, $s4, Else add $s0, $s1, $s2 j Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 Exit: ο assembler υπολογίζει τις διευθύνσεις ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

32 Μετάφραση επαναλήψεων Κώδικας C: while (save[i] == k) i += 1; i:$s3, k: $s5, αρχική διεύθυνση save: $s6 Αντίστοιχος κώδικας MIPS: Loop: sll $t1, $s3, 2 add $t1, $t1, $s6 lw $t0, 0($t1) bne $t0, $s5, Exit addi $s3, $s3, 1 j Loop Exit: ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

33 Αλλες πράξεις για συνθήκες Θέτουν το αποτέλεσμα σε 1 αν η συνθήκη ισχύει Αλλιώς το αποτέλεσμα είναι 0 slt rd, rs, rt if (rs < rt) rd = 1; else rd = 0; slti rt, rs, constant if (rs < constant) rt = 1; else rt = 0; Χρησιμοποιείται σε συνδιασμό με τις beq, bne slt $t0, $s1, $s2 # if ($s1 < $s2) bne $t0, $zero, L # branch to L ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

34 Σχεδίαση εντολών διακλάδοσης Γιατί όχι blt, bge, ; Το υλικό για <,, είναι πιο αργό από =, Βάζοντας περισσότερη δουλεία στην εντολή διακλάδοσης αυξάνει το κύκλο ρολογιού που καθυστερεί όλες τις εντολές Οι beq και bne είναι η πιο συνηθισμένες περιπτώσεις Για άλλες συγκρίσεις, χρειάζεται μια επιπλέον εντολή Συμβιβασμός σχεδίασης ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

35 Σύγκριση ακεραίων Η σύγκριση πρέπει να ξέρει αν οι αριθμοί είναι προσημασμένοι ή όχι Σύγκριση προσημασμένων αριθμών: slt, slti Απρόσημοι: sltu, sltui Παράδειγμα: $s0 = $s1 = slt $t0, $s0, $s1 # signed 1 < +1 $t0 = 1 sltu $t0, $s0, $s1 # unsigned +4,294,967,295 > +1 $t0 = 0 ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

36 Αλλες εντολές διακλάδοσης Εκτός από τις branch και jump ο MIPS έχει άλλες δύο εντολές διακλάδοσης: jal rd, L1 jump and link Η εκτέλεση συνεχίζει από την εντολή με ετικέτα L1 και η διεύθυνση της επόμενης εντολής κρατιέται στον καταχωρητή rd. Χρησιμοποιείται για κλήσεις υπορουτινών jr rs jump register Η εκτέλεση συνεχίζεται από τη διεύθυνση που κρατάει ο καταχωρητής rs ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

37 Μετάφραση Οι περισσότεροι μεταφραστές κρύβουν το κομμάτι της συμβολομετάφρασης ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

38 Assembly και Assembler Η μετατροπή συμβολικών εντολών MIPS (γλώσσα assembly) σε κώδικα μηχανής, γίνεται από τον assembler Υπολογίζει διευθύνσεις (π.χ. για ετικέτες), αντικαθιστά ονόματα καταχωτητών με αριθμούς,... Επιπλέον δέχεται εντολές που δεν υπάρχουν αλλά βοηθούν τον προγραμματιστή Ονομάζονται ψευτοεντολές (pseudo- InstrucHons) ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

39 Οδηγίες Assembler (direclves) Κωδικές «λεξεις» που δίνουν οδηγίες στον συμβολομεταφραστή αλλά δεν παράγουν εντολές μηχανής.text: ό,τι ακολουθεί πρέπει να πάει στο τμήμα κειμένου text segment) το κομμάτι της μνήμης όπου βρίσκεται ο κώδικας.data: ό,τι ακολουθεί τοποθετείται στο τμήμα δεδομένων (user data segment).globl sym: Δηλώνει το όνομα sym ως καθολικό ώστε να μπορεί να αναφερθει και από άλλα αρχεία..asciiz str: Απόθήκευσε τη συμβολοσειρά str στη μνήμη και βάλε το χαρακτήρα \0 στο τέλος (null- terminate).word w1 wn: Αποθηκευσε τις n 32- bit τιμές σε συνεχόμενες θέσεις μνήμης ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

40 Χρήσιμες ψευτοεντολές move $t0, $t1 add $t0, $zero, $t1 blt $t0, $t1, L slt $at, $t0, $t1 bne $at, $zero, L li $a0, immed[31:0] lui $a0, immed[31:16] ori $a0, $a0, immed[16:0] la $a0, label lui $at,left(str) ori $a0,$at,right(str) Ο καταχωρητής $at (assembler temporary, r1) είναι δεσμευμένος για χρήση από τον assembler ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

41 Προγραμματισμός MIPS Προσομοιωτής MARS περιέχει και editor, assembler Δωρεάν εφαρμογή σε Java από τον Ken Vollmar, Missouri State University h p://courses.missouristate.edu/kenvollmar/mars/ Απλά ένα.jar αρχείο Δουλεύει σε όλα τα ΛΣ με εγκατεστημένη Java Από τερματικό java - jar ~ple027/tools/mars_4_1.jar Θα χρησιμοποιηθεί για την 1 η άσκηση ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

42 Είσοδος- έξοδος ο MARS δίνει δυνατότητες εισόδο- εξόδου μέσω κλήσεων συστήματος με την εντολή syscall πραγματική εντολή MIPS Ετσι μπορούμε να εμφανίζουμε αποτελέσματα στην οθόνη Η λειτουργία της κλήσης καθορίζεται από τα περιεχόμενα του καταχωρητή v0 λεπτομέρειες στο MARS help Σε ένα πραγματικό υπολογιστή οι κλήσεις εκτελούνται από το ΛΣ εδώ τις προσομοιώνει ο MARS και κάνει ό,τι χρειάζεται ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές

43 Παράδειγμα στο MARS Πρόγραμμα hexout.s Ζητάει ένα αριθμό (με βάση 10) και εμφανίζει τον αριθμό σε βάση 16 ΠΛΕ 027 Μικροεπεξεργαστές