Arithmetik LadenSpeichern

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Grundlagen der Rechnerarchitektur

MIPS‐Assembler

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Übersicht

• Arithmetik, Register und Speicherzugriff

• Darstellung von Instruktionen

• Logische Operationen

• 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, lernt man Assembler anderer Rechner kinderleicht

• Während wir uns mit Assembler beschäftigen

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

• Wann sollte man Assembler programmieren?

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

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

– 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

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

– 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

• Frühere Einsatzgebiete MIPS

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

– Satellitenreceiver – Dreambox

– Konica Minolta DSLRs

– Sony‐ und Nintendo‐Spielkonsolen

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

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7

Warum gerade MIPS (und nicht Intel x86)?

• MIPS‐Instruktionssatz ist klar und einfach (RISC)

• Sehr gut in Lehrbüchern beschrieben

• Sehr ähnlich zu vielen modernen Prozessoren (z.B. ARM; schauen wir uns eventuell auch noch kurz an)

• MIPS ist eine kommerziell relevante Instruktionssatzarchitektur.

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

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

C Programm:

a = b + c;

d = a – e;

MIPS Instruktionen:

Einfache Arithmetik mit Zuweisung

C Programm:

f = (g + h) – (i + j);

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Variablen t0 und t1):

Komplexere Arithmetik mit Zuweisung

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Die Operanden sind Register

C Programm:

f = (g + h) – (i + j);

Sei hierbei:

g in Register $s1 gespeichert h in Register $s2 gespeichert i in Register $s3 gespeichert j in Register $s4 gespeichert f in Register $s0 gespeichert

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

add $t0, $s1, $s2 # t0=g+h add $t1, $s3, $s4 # t1=i+j sub $s0, $t0, $t1 # f=t0-t1

Voriges Beispiel: Komplexere Arithmetik mit Zuweisung

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];

Sei hierbei:

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

Basisadresse von A in Register $s3

MIPS Instruktionen (verwende temporäres Register $t0):

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?

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];

Sei hierbei:

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

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0):

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Laden und Speichern von Bytes

C Programm:

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

Sei hierbei:

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

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0):

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?

LSB

$t0 MSB

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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?

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;

Sei hierbei:

x in Register $s3 gespeichert

MIPS Instruktion:

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

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

C Programm:

x = 42;

Sei hierbei:

x in Register $s3 gespeichert

MIPS Instruktion:

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Zwischenbilanz der MIPS Architektur

CPU

$0 . . .

$31 Arithmetic

Unit

Registers

Memory

Name Nummer Verwendung

$zero 0 Konstante 0

$at 1

$v0‐$v1 2‐3

$a0‐$a3 4‐7

$t0‐$t7 8‐15 Temporäre Register

$s0‐$s7 16‐23 „saved“ temporäre Reg.

$t8‐$t9 24‐25 Temporäre Register

$k0‐$k1 26‐27

$gp 28

$sp 29

$fp 30

$ra 31

(19)

Zusammenfassung der behandelten Instruktionen

Instruktion Bedeutung

Arithmetik add

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

addi

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

sub

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

Laden

lb

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

Das Byte ist sign‐extended.

lbu

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

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.

lw

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

Speichern

sb

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

sh

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

address

sw

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

(20)

Quiz

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

0 421

4 12

8 4

12 33

…

Adr esse

Inhalt (Word)

Speicher zu Beginn

0 4 8 12

…

Adr esse

Inhalt (Word)

Speicher nach Instruktionsdurchlauf

(21)

Darstellung von Instruktionen

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Übersetzung aus Assembler in Maschinensprache

add $t0, $s1, $s2

0 17 18 8 0 32

6 Bit Opcode

5 Bit Source1

5 Bit Source2

5 Bit Dest

5 Bit Shamt

6 Bit Funct

00000010001100100100000000100000

Assembler‐

Instruktion

Maschinen‐

Instruktion

Name Nr

$t0 8

$t1 9

$t2 10

$t3 11

$t4 12

$t5 13

$t6 14

$t7 15 Name Nr

$s0 16

$s1 17

$s2 18

$s3 19

$s4 20

$s5 21

$s6 22

$s7 23

(23)

Notwendigkeit für andere Instruktionsformate

op rs rt rd shamt funct

6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit

add $t0, $s1, $s2

lw $t0, 32($s3)

?

R‐Typ

Opcode 6 Bit

Source 5 Bit

Dest 5 Bit

Konstante oder Adresse 16 Bit

I‐Typ

(24)

Zwischenbilanz

Instruktion Format op rs rt rd shamt funct

add R 0 reg reg reg 0 32

sub R 0 reg reg reg 0 34

addi (immediate) I 8 reg reg constant

lw (load word) I 35 reg reg offset

sw (store word) I 43 reg reg offset

6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit

16 Bit