Grundlagen der Rechnerarchitektur

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Grundlagen der Rechnerarchitektur

MIPS‐Assembler

MIPS Assembler

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Übersicht

• Arithmetik, Register und Speicherzugriff

• Darstellung von Instruktionen g

• Logische Operationen W it A ith tik

• Weitere Arithmetik

• Branches und Jumps

• Prozeduren

• 32‐Bit‐Konstanten und Adressierung

• Synchronisation

• Exceptions

• Pseudoinstruktionen, Direktiven und Makros ,

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Motivation

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Assembler 3

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Warum ein Assembler‐Kurs?

• Wir wollen etwas über Rechnerarchitektur lernen.

Assembler ist ein Teil davon.

• Nach dem Erlernen von Assembler eines Systems,

l t A bl d R h ki d l i ht

lernt man Assembler anderer Rechner kinderleicht

• Während wir uns mit Assembler beschäftigen g

lernen wir auch generelle Konzepte kennen, wie

die Hardware in Computern und eingebetteten

Systemen organisiert ist

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Vor‐ und Nachteile von Assembler

ll bl i ?

• Wann sollte man Assembler programmieren?

– Code‐Größe oder Geschwindigkeit sollen bis auf das äußerste ausgereizt werden g

– Verwendung spezieller Maschineninstruktionen, die ein Compiler nicht nutzt (in der Regel bei CISC)

– Es gibt für die Computer‐Hardware keine höhere Sprache Es gibt für die Computer Hardware keine höhere Sprache

• Meist wird ein hybrider Ansatz gewählt

– Man programmiert das meiste in einer High‐Level‐Sprache

– Nur kleine Teile des gesamten Codes werden direkt in Assembler optimiert

• Nachteil von Assembler Nachteil von Assembler

– Programme laufen nur für den Hardwaretyp für den diese programmiert sind

Assembler Code ist im Vergleich zu High Level Sprachen deutlich – Assembler‐Code ist im Vergleich zu High‐Level‐Sprachen deutlich

länger

• Programmieren dauert deutlich länger

• Programmieren ist fehleranfälliger (insbesondere wegen fehlender Struktur)

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Assembler am Beispiel der MIPS‐Architektur

h i bi

• Frühere Einsatzgebiete MIPS

– Silicon Graphics Unix‐Workstations (z. B. SGI Indigo2) Silicon Graphics Unix Server (z B SGI Origin2000)

– Silicon Graphics Unix‐Server (z. B. SGI Origin2000)

– DEC Workstations (z.B. DECstation‐Familie und DECsystem) – Siemens bzw. SNI Server der RM‐Serie

– Control Data Corporation Computer des Typs CDC 4680

• Heutiger Einsatz von MIPS in eingebetteten Systemen

– Cobalt‐Server bis RaQ/Qube2 – BMW‐Navigationssysteme

die Fritz!Box – die Fritz!Box

– Satellitenreceiver – Dreambox Dreambox

– Konica Minolta DSLRs

– Sony‐ und Nintendo‐Spielkonsolen

Quelle der Liste: de.wikipedia.org/wiki/MIPS‐Architektur

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Warum gerade MIPS (und nicht Intel x86)?

• MIPS‐Instruktionssatz ist klar und einfach (RISC)

• Sehr gut in Lehrbüchern beschrieben Sehr gut in Lehrbüchern beschrieben

• Sehr ähnlich zu vielen modernen Prozessoren

( B ARM h i h h k )

(z.B. ARM; schauen wir uns auch noch kurz an)

• MIPS ist eine kommerziell relevante

Instruktionssatzarchitektur. (z.B. 2002 wurden fast 100 Millionen MIPS Prozessoren hergestellt) fast 100 Millionen MIPS Prozessoren hergestellt)

7 Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Assembler

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Begleitend: SPIM‐ und MARS‐Simulator

Programmieren lernt man nicht durch zuschauen!

Alle Konzepte sollte man hier selber ausprobieren!

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Arithmetik, Register und Speicherzugriff

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Arithmetik und Zuweisungen

Ei f h A ith tik it Z i C Programm:

a = b + c;

MIPS Instruktionen:

Einfache Arithmetik mit Zuweisung

a = b + c;

d = a – e;

K l A ith tik it Z i

C Programm: MIPS Instruktionen (verwende temporäre

Variablen t0 und t1):

Komplexere Arithmetik mit Zuweisung

f = (g + h) – (i + j);

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Die Operanden sind Register

V i B i i l K l A ith tik it Z i C Programm:

f = (g + h) (i + j);

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0 und $t1):

Voriges Beispiel: Komplexere Arithmetik mit Zuweisung

f = (g + h) – (i + j);

Sei hierbei:

in Re ister $s1 espei hert

add $t0, $s1, $s2 # t0=g+h add $t1, $s3, $s4 # t1=i+j

g in Register $s1 gespeichert

h in Register $s2 gespeichert i in Register $s3 gespeichert j in Register $s4 gespeichert

add $s0, $t0, $t1 # f=t0+t1

j in Register $s4 gespeichert f in Register $s0 gespeichert

MIPS Registergröße = 32 Bit

Assembler‐Syntax:

Das Zeichen # leitet für den Rest der Zeile einen Kommentar ein.

Der Text wird vom Assembler einfach ignoriert.

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Speicher‐Operanden

C Programm:

g = h + A[8];

MIPS Instruktionen (verwende temporäres Register $t0):

Sei hierbei:

g in Register $s1 gespeichert h in Register $s2 gespeichertg $ g p

Basisadresse von A in Register $s3

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

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Alignment‐Restriction

Zugriff auf A[8], wenn Basisadresse von A in Register $s3 gespeichert?g [ ], g $ g p

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

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Laden und Speichern

C Programm:

A[12] = h + A[8];

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0):

A[12] = h + A[8];

Sei hierbei:

Basisadresse on A in in Re ister $s3 Basisadresse von A in in Register $s3 h in Register $s2 gespeichert

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Laden und Speichern von Bytes

C Programm:

A[12] = A[8];

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0):

Sei hierbei:

Basisadresse von A in in Register $s3 h in Register $s2 gespeichert

h in Register $s2 gespeichert

Sei A[8] = 01110010. Was passiert im obigen Beispiel bei lb mit $t0 genau?

LSB

$t0 MSB

Sei A[8] = 11110010. Was passiert im obigen Beispiel bei lb mit $t0 genau?

$t0

MSB LSB

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Weitere Befehle zum Laden und Speichern

Laden von Byte ohne Sign‐Extension:

lbu { Beispiel: lbu $t0, 27($s3) }

Was passiert im obigen Beispiel mit $t0, wenn 27($s3) = 11001000?

$t0

LSB

$t0 MSB

Laden von Halfword mit Sign‐Extension:

lh { Beispiel: lh $t0, 22($s3) }

Laden von Halfword ohne Sign‐Extension:

lhu { Beispiel: lhu $t0, 22($s3) }

Speichern von Halfword:

sh { Beispiel: sh $t0, 22($s3) }

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Addieren und Laden von Konstanten

C Programm:

x = x + 4;

MIPS Instruktion:

Sei hierbei:

x in Register $s3 gespeichert

MIPS erlaubt negative Konstanten und braucht damit kein ‚subi‘.

MIPS hat ein spezielles Register $zero, welches 0 ‘hart verdrahtet‘ speichert.

C Programm:

x = 42;

MIPS Instruktion:

Sei hierbei:

x in Register $s3 gespeichert

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Zwischenbilanz der MIPS Architektur

CPU

Memory

Name Nummer Verwendung

$0 . Registers

g

$zero 0 Konstante 0

$at 1

. . .

$31

$v0‐$v1 2‐3

$a0‐$a3 4‐7

$t0 $t7 8 15 T ä R i t

$ Arithmetic

Unit

$t0‐$t7 8‐15 Temporäre Register

$s0‐$s7 16‐23 „saved“ temporäre Reg.

$t8‐$t9 24‐25 Temporäre Register

Unit $t8 $t9 24 25 Temporäre Register

$k0‐$k1 26‐27

$gp 28

$sp 29

$fp 30

$

$ra 31

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Zusammenfassung der behandelten Instruktionen

Instruktion Bedeutung Instruktion Bedeutung

hmetik add

rd, rs, rt Register rd = Register rs + Register rt

addi

rt, rs, imm Register rt = Register rs + Konstante imm

Arith addi

rt, rs, imm Register rt Register rs Konstante imm

sub

rd, rs, rt Register rd = Register rs –Register rt

lb

rt, address Lade Byte an der Adresse address in Register rt.

en

Das Byte ist sign‐extended.

lbu

rt, address Lade Byte an der Adresse address in Register rt.

Lade

lh

rt, address Lade Half‐Word an der Adresse address in Register rt.

Das Half‐Word ist sign‐extended.

lhu

rt address Lade Half‐Word an der Adresse address in Register rt

lhu

rt, address Lade Half Word an der Adresse address in Register rt.

lw

rt, address Lade Word an der Adresse address in Register rt.

n sb

rt, address Speichere unterstes Byte des Registers rt an Adresse address

Speichern

, p y g

sh

rt, address Speichere unteres Half‐Word des Registers rt an Adresse address

S sw

rt, address Speichere Inhalt des Registers rt an Adresse address.

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Quiz

addi $s0, $zero, 4 # lw $s1, 0($s0) # l $ 2 4($ 0) # lw $s2, 4($s0) # add $s1, $s1, $s1 # add $s1, $s1, $s2 # add $s1, $s1, $s2 # addi $s1, $s1, 1 # sw $s1, 0($s0) #