ΗΜΥ 213 Εργαστήριο Οργάνωσης Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Μικροεπεξεργαστών

Transcript

1 ΗΜΥ 213 Εργαστήριο Οργάνωσης Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Μικροεπεξεργαστών Διδάσκων: Δρ. Γιώργος Ζάγγουλος

2 Περίληψη Αρχιτεκτονική Μικροεπεξεργαστών MIPS-32 Αρχείο Kαταχωρητώνκαι Χάρτης Μνήμης Δομή αρχείου (προγράμματος) - Παράδειγμα Τρόποι Διευθυνσιοδότησης της Μνήμης Οι πρώτες μας εντολές assembly- Παραδείγματα 2 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

3 Αρχιτεκτονική Μικροεπεξεργαστή (MIPS-32) Μνήμη Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας Καταχωρητές Αριθμητική (Λογική) Μονάδα Ειδικά Κυκλώματα A24, A46 Βοηθητική Μονάδα Επεξεργασίας Καταχωρητές ειδικής χρήσης 3 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

4 Χάρτης Μνήμης (MIPS-32) Στοίβα Δηλώσεις και Δεδομένα Εντολές προγράμματος A21 4 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

5 Προγραμματισμός Μικροεπεξεργαστή Οι μικροεπεξεργαστές συνοδεύονται από ένα σύνολο εντολών το οποίο υποστηρίζουν. Συνήθως υπάρχουν μικροδιαφορές στην σύνταξη μιας εντολής μεταξύ κατασκευαστών αλλά και οικογενειών μικροεπεξεργαστών. Ηπιο πάνω γλώσσα είναι γνωστή ως Assembly και στόχο έχει να διευκολύνει τον προγραμματιστή ο οποίος δεν χρειάζεται να προγραμματίζει σε κώδικα μηχανής (machine code)ο οποίος είναι δυσνόητος. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός εργαλείου «assembler»το οποίο αντιστοιχεί στην ουσία τις εντολές μας σε κώδικα μηχανής (αποτελούμενο από 0 και 1). 5 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

6 Δομή Αρχείου προσομοίωσης # Στοιχεία προγραμματιστή/κώδικα.data Δηλώσεις (.asciiz,.byte,.word).text main: Αρχικοποιήσεις Εντολές Προγράμματος # Κενή γραμμή για να τρέξει ο κώδικας 6 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

7 Έλεγχος Ροής Προγράμματος Ο καταχωρητής PC (programme counter) ενεργεί ως δείκτης στη διεύθυνση μνήμης όπου είναι αποθηκευμένη η επόμενη προς εκτέλεση εντολή. Η τιμή του PCαυξάνει αρχικάπάντοτε κατά 4! Πως επιτυγάνεται το jump ή το branch στον MIPS-32; Υπολογισμός της νέας διεύθυνσης αναλόγως της εντολής (απόλυτη τιμή ή σχετική τιμή). Αποθήκευση του $pc στον $ra (σε περίπτωση κλήσης συνάρτησης μέσα από το πρόγραμμα) 7 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

8 Οι πρώτες μας εντολές Κλήσεις συστήματος (1, 4, 5, 8, 10) Φόρτωση καταχωρητή(li, lb, lw, la) Μετακίνηση καταχωρητή(move) Αριθμητικές και Λογικές πράξεις (add, sub, or, and, xor, sll, srl) Συγκρίσεις τιμών(beq, beqz, bne) A44, A Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

9 Τρόποι Διευθυνσιοδότησης A45 Η διεύθυνση μνήμης μπορεί να δηλωθεί με 6 τρόπους: 1. Περιεχόμενο καταχωρητή: lw $t1, ($t2) 2. Άμεση τιμή: lb $t1, 0x10abcdef 3. Άμεση τιμή + περιεχόμενο καταχωρητή: lw $t1, 28($t2) 4. Διεύθυνση που αντιστοιχεί σε ετικέτα users : lb $t2, users 5. Διεύθ. ετικέτας +/- άμεση τιμή: lb $t3, users+3 6. Διεύθυνση ετικέτας +/-(άμεση τιμή + περιεχόμενο καταχωρητή: lb $t4, spaces-2($t2) 9 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

10 Χάρτης Μνήμης (Παράδειγμα) (Data) Περιεχόμενα Διεύθυνσης Μνήμης 0x B (Data) Περιεχόμενα Διεύθυνσης Μνήμης 0x Α ΑΒ Ε3 Β ΒΒ ΕΕ 55 ΑΑ Α 3Β 22 ΕΑ ΑΒ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ 0x x x x C 0x x x Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

11 Εντολές Load C Έστω ότι $t6 =0x , σκεφτείτε τί αλλάζει πιο κάτω: 1. lb $t1, 2($t6) 2. lw $t2, 0x C 3. lw $t3, 4($t6) 4. lw $t4, 12($t6) 5. la $t5, 0x $t1=0x a = 2A $t2=0xbbee55aa $t3=0x $t4=0x $t5=0x Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

12 Εντολές Store (συνέχεια από Load) Από Load: $t3=0x , $t4=0x , $t5=0x , $t6 = 0x sw $t3, 0x sw $t4, 16($t6) 3. sb $t5, 0x x /5/6/7= x /5/6/7= x = 14 Μνήμη: Πριν και Μετά από την εκτέλεση των 3 εντολών Store ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ 0x x x x C 0x x x Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

13 Παράδειγμα Πρόσθεσης 2 Καταχωρητών και Εκτύπωσης # your details with a description of the code.data result_is:.asciiz The result is:\n.text main: li $t1, 10 # load t1 with 10 li $t2, 7 # load t2 with 7 add $t3, $t1, $t2 # t3= t1 +t2 li $v0, 4 la $a0, result_is # syscall to print string syscall li $v0, 1 move $a0, $t3 # syscall to print an integer syscall li $v0, 10 syscall # syscall to exit programme 13 # press enter to keep SPIM HAPPY! Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

14 Παραδείγματα εντολών li $t1, 0x10 # Register $t1 = 16 = 10hex lb $t2, 0x # Reg. $t2=περιεχόμενα μνήμης (0Χ ) lw $t2, 0x #$t2=περιεχόμενα μνήμης (0Χ /9/a/b) la $a0, welcome # Register $a0 = address of welcome message move $t4, $v0 #Register $t4 = Register $v0 add $t3, $zero, $t2 #Register $t3 = Register $t2 + 0 addi $t3, $t4, 1 #Register $t3 = Register $t4 + 1 ori $t3, $t4, 0x12 #Register $t3 = Reg. $t4 OR0X andi $t5, $t6, 255 #Register $t5 = Reg. $t6 AND0X Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

15 Παραδείγματα εντολών xor $t6, $t6, $t6 # Register $t6 = Reg. $t6 XORReg. $t6 = 0 sll $t7, $t6, 3 #Register $t7 = Reg. $t6 <<< 3 = $t6 * 8 srl $t5, $t3, 5 #Register $t5 = Reg. $t3 >>> 5 = $t3 / 32 beq $t6, $t5, finals # If Reg $t6 = $t5, PC = address finals bne $t7, $t6, again #If Reg $t7 $t6, PC = address again beqz $t8, exit_now #If Reg $t8 = 0, PC = address exit_now bgt $t6, $t5, loop1 #If Reg $t6 > $t5, PC = address loop1 b step2 j step2 # PC = address step2 (πιο γρήγορη εντολή) # PC = address step2 (χωρίς περιορισμό) 15 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

16 Δηλώσεις Μεταβλητών 1..data 2. users:.byte1, 2, 3, 4, 5, 6 3. time:.word20, 30, 40, results:.space text 6. main 16 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

17 Μετάβαση υπό προϋποθέσεις Branch if equal beq rs, rt, label Branch if zero beqz rs, label Branch if not equal bne rs, rt, label Branch if greater bgt rs, rt, label Ο rt μπορεί να αντικατασταθεί με αριθμό! Ποια η διαφορά μεταξύ bgtκαι bgtu; Μετάβαση χωρίς προϋποθέσεις μπορεί να γίνει με τις εντολές Jump και Branch Ποια η διαφορά μεταξύ Jump και Branch; 17 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

18 Άσκηση 1 Γράψτε ένα μικρό πρόγραμμα (1-3 εντολές) με το οποίο μπορείτε να ανιχνεύσετε την τιμή του δυαδικού ψηφίου στη θέση 7 της θέσης μνήμης 0Χ εάν το λιγότερο σημαντικό ψηφίο είναι αυτό που βρίσκεται στη θέση 0. lb $t1, 0x andi $t1, $t1, 0x80 # 0x80 = beqz $t1, bit_was0 # if bit was 1 συνεχίζει εδώ το πρόγραμμα # if bit was 0 θα συνεχίσει στο bit_was0: 18 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

19 Άσκηση 2 Γράψτε με 2 διαφορετικούς τρόπους (addressing modes) μικρά προγράμματα (1-3 εντολές το καθένα) που να φορτώνουν μόνοτο περιεχόμενο της θέσης μνήμης 0Χ στον καταχωρητή $t1. 1. lb $t1, 0Χ la $t2, 0Χ lb $t1, 0($t2) 3. la $t3, 0Χ F lb $t1, 2($t3) Ίδιος τρόπος 19 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

20 Άσκηση 3 Συμπληρώστε τις εντολές srl, και and, έτσι ώστε η κάθε εντολή να μηδενίζει τον καταχωρητή $t1. srl $t1 $t1, 31 srl $t1 $t1, 1 Χρειάζονται 2 εντολές and $t1, $t1, $zero A56 20 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

21 Άσκηση 4 Εξηγήστε την εντολή srl$t5, $t4, 8 εάν τα περιεχόμενα των καταχωρητών πριν την εκτέλεση της είναι ως ακολούθως: $t4 = 00F0Α012 και $t5 = Β2Ε. Ποιο θα είναι το αποτέλεσμα; Κάνει δεξιά ολίσθηση κατά 8 μπιτς στο περιεχόμενο του $t4 και αποθηκεύει το αποτέλεσμα στον $t5. 00F0A012 >> 8 bits, άρα 2 ψηφία Hex: $t5 = 0000F0A0 21 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

22 Άσκηση 5 Δίνονται τα περιεχόμενα των καταχωρητών ως ακολούθως: $t6 = 1200F0Α0 και $t7 = 0Β23706Ε Εξηγήστε την εντολή andi$t6, $t7, 0x17και υπολογίστε τα περιεχόμενα του καταχωρητή στον οποίο θα αποθηκευτεί το αποτέλεσμα. Λογική πράξη and μεταξύ του περιεχομένου του $t7 και της τιμής 0x17. Αποθήκευση του αποτελέσματος στον $t6. 0Β23706Ε andόπου ΧΧ είναι: and ΧΧ Άρα $t6 = 0x Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

23 Άσκηση 6 Εξηγήστε την εντολή xor$t3, $t4, $t5 και υπολογίστε τα περιεχόμενα του καταχωρητή στον οποίο θα αποθηκευτεί το αποτέλεσμααν αρχικά οι καταχωρητές: $t3 = 12F400Α0, $t4 = 7890Β800, $t5 = Λογική πράξη xor ανα μπίτ. Αν μια είσοδος της xor είναι μηδέν, τότε η έξοδος = με την άλλη είσοδο. Άρα με xorμεταξύ $t4 και $t5, το αποτέλεσμα θα είναι: 7890??00, όπου??είναι οι έξοδοι 8 πυλών xorμε εισόδους Β8και 78 αντίστοιχα. Αυτές δίνουν C0, άρα ολόκληρο το αποτέλεσμα (32 μπιτς) που θα αποθηκευτεί στον $t3 θα είναι: 7890 C Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

24 Άσκηση 7 Εάν οι θέσεις μνήμης 0Χ έως 0Χ έχουν αποθηκευμένες τις τιμές (HEX)Α0, Α1, Α2, Α3, Α4, Α5, Β6, Β7, Β8 και Β9 αντίστοιχα, υπολογίστε τα περιεχόμενα των καταχωρητών μετά την εκτέλεση των εντολών: lb $t5, 0X lw $t7, 0X $t5 = B7 $t7 =B7 B6 A5 A4 24 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

25 Άσκηση 8 Ποιες διευθύνσεις μνήμης θα αλλάξουν περιεχόμενο μετά την εκτέλεση των πιο κάτω εντολών; 1. sb $t8, 0X sw$t8, 0X Καθορίστε επίσης το νέο τους περιεχόμενο σε δεκαεξαδική μορφή εάν: $t8 = 0Χa12bc34d 1. Η θέση μνήμης 0X θα γίνει 4d 2.Οι θέσεις μνήμης 0X , 0X , 0X Α, και 0X Β, θα γίνουν 4d, c3, 2b, και a1 αντίστοιχα 25 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.

26 Μαθησιακοί στόχοι 1 ης Εβδομάδας 1. Αρχιτεκτονική MIPS-32 (CPU, Registers, Memory, Co-proc.) 2. Προσομοιωτής QtSpim (Εγκατάσταση προγράμματος, Φόρτωση και τρέξιμο κώδικα) 3. Assembly Languageκαι Κώδικας Μηχανής (Δομή αρχείου προσομοίωσης και κλήσεις συστήματος) 4. Έλεγχος Ροής Προγράμματος ($pc, $ra) 5. Εισαγωγή στην assembly 6. Τρόποι Διευθυνσιοδότησης της Μνήμης 26 Εργαστήριο Οργάνωσης Η.Υ. και Μικροεπεξεργαστών Γ. Ζ.