Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

17/4/2015 2010-20111 Οργάνωση Υπολογιστών 5 “συστατικά” στοιχεία -Επεξεργαστής: datapath (δίοδος δεδομένων) (1) και control (2) -Μνήμη (3) -Συσκευές.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "17/4/2015 2010-20111 Οργάνωση Υπολογιστών 5 “συστατικά” στοιχεία -Επεξεργαστής: datapath (δίοδος δεδομένων) (1) και control (2) -Μνήμη (3) -Συσκευές."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 17/4/ Οργάνωση Υπολογιστών 5 “συστατικά” στοιχεία -Επεξεργαστής: datapath (δίοδος δεδομένων) (1) και control (2) -Μνήμη (3) -Συσκευές Εισόδου (4), Εξόδου (5) (Μεγάλη ‘ποικιλία’ !!) Συσκευές γρήγορες π.χ. κάρτες γραφικών, αργές π.χ. πληκτρολόγιο. Για το Ι/Ο έχει γίνει η λιγότερη έρευνα …..(I/O busses, I/O switched fabrics …) Ιεραρχία Μνήμης: καταχωρητές, κρυφή μνήμη (L1), κρυφή μνήμη (L2), κύρια Μνήμη- ΠΟΛΥ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ!

2 17/4/ Instruction Fetch (IF) Instruction Decode (ID) Operand Fetch (OF) Execute (Ex) Result Store (WB) Next Instruction Αρχιτεκτονικές Συνόλου Εντολών Instruction Set Architectures Μορφή Εντολών: μεταβλητό ή σταθερό μέγεθος bytes για κάθε εντολή; ( bytes, MIPS 4 bytes) Πώς γίνεται η αποκωδικοποίηση (ID); Που βρίσκονται τα ορίσματα (operands) και το αποτέλεσμα: Μνήμη-καταχωρητές, πόσα ορίσματα, τι μεγέθους; Ποια είναι στη μνήμη και ποια όχι; Αριθμός εντολών Πόσοι κύκλοι για κάθε εντολή;

3 17/4/ Κατηγορίες Αρχιτεκτονικών Συνόλου Εντολών (ISA Classes) 1.Αρχιτεκτονικές Συσσωρευτή (accumulator architectures) (μας θυμίζει κάτι?) 2.Αρχιτεκτονικές επεκταμένου συσσωρευτή ή καταχωρητών ειδικού σκοπού (extended accumulator ή special purpose register) 3.Αρχιτεκτονικές Καταχωρητών Γενικού Σκοπού 3α. register-memory 3b. register-register (RISC)

4 17/4/ Αρχιτεκτονικές Συσσωρευτή (1) 1η γενιά υπολογιστών: h/w ακριβό, μεγάλο μέγεθος καταχωρητή. Ένας καταχωρητής για όλες τις αριθμητικές εντολές (συσσώρευε όλες τις λειτουργίες  Συσσωρευτής (Accum) Σύνηθες: 1ο όρισμα είναι ο Αccum, 2o η μνήμη, αποτέλεσμα στον Accum π.χ. add 200 Παράδειγμα: A = B + C Accum = Memory(AddressB); Accum = Accum + Memory(AddressC); Memory(AddressA) = Accum; Load AddressB Add AddressC Store AddressA Όλες οι μεταβλητές αποθηκεύονται στη μνήμη. Δεν υπάρχουν βοηθητικοί καταχωρητές

5 17/4/ Αρχιτεκτονικές Συσσωρευτή (2) Κατά: Χρειάζονται πολλές εντολές για ένα πρόγραμμα Κάθε φορά πήγαινε-φέρε από τη μνήμη (? Κακό είναι αυτό) Bottleneck o Accum! Υπέρ: Εύκολοι compilers, κατανοητός προγραμματισμός, εύκολη σχεδίαση h/w Λύση; Πρόσθεση καταχωρητών για συγκεκριμένες λειτουργίες (ISAs καταχωρητών ειδικού σκοπού)

6 17/4/ Αρχιτεκτονικές Επεκταμένου Συσσωρευτή Καταχωρητές ειδικού σκοπού π.χ. δεικτοδότηση, αριθμητικές πράξεις Υπάρχουν εντολές που τα ορίσματα είναι όλα σε καταχωρητές Κατά βάση (π.χ. σε αριθμητικές εντολές) το ένα όρισμα στη μνήμη.

7 17/4/ Αρχιτεκτονικές Καταχωρητών γενικού σκοπού A=B+C register-register Register-memory Αφήνουν το ένα όρισμα να είναι στη μνήμη (πχ ) Register-register (load store) (1980+) accumulatorMemory-memory extended-accumulator register-memory Load R1, B Add R1, C Store A, R1 Load R1, B Load R2, C Add R3, R1, R2 Store A, R3

8 17/4/ Αρχιτεκτονική Στοίβας Καθόλου registers! Stack model ~ 1960!!! Στοίβα που μεταφέρονται τα ορίσματα που αρχικά βρίσκονται στη μνήμη. Καθώς βγαίνουν γίνονται οι πράξεις και το αποτέλεσμα ξαναμπαίνει στη στοίβα. Θυμάστε τα HP calculators με reverse polish notation A=B+C push Address C push AddressB add pop AddressA

9 17/4/ Εντολές μεταβλητού μήκους: 1-17 bytes 80x bytes VAX, IBM Γιατί?? Ιnstruction Memory ακριβή, οικονομία χώρου!!!! Εμείς στο μάθημα: register-register ISA! (load- store) 1.Οι καταχωρητές είναι γρηγορότεροι από τη μνήμη 2.Μειώνεται η κίνηση με μνήμη 3.Δυνατότητα να υποστηριχθεί σταθερό μήκος εντολών 4.(τα ορίσματα είναι καταχωρητές, άρα ό αριθμός τους (πχ καταχωρητές) όχι δ/νσεις μνήμης Compilers πιο δύσκολοι!!!

10 17/4/ Βασικές Αρχές Σχεδίασης (patterson-hennessy COD2e) 1.Η ομοιομορφία των λειτουργιών συμβάλλει στην απλότητα του υλικού (Simplicity favors Regularity) 2.Όσο μικρότερο τόσο ταχύτερο! (smaller is faster) 3.H καλή σχεδίαση απαιτεί σημαντικούς συμβιβασμούς (Good design demands good compromises) Γενικότητες? Θα τα δούμε στη συνέχεια......

11 17/4/ MIPS σύνολο εντολών: Λέξεις των 32 bit (μνήμη οργανωμένη σε bytes, ακολουθεί το μοντέλο big Εndian) 32 καταχωρητές γενικού σκοπού - REGISTER FILE Θα μιλήσουμε για: εντολές αποθήκευσης στη μνήμη (lw, sw) Αριθμητικές εντολές (add, sub κλπ) Εντολές διακλάδωσης (branch instructions) Δεν αφήνουμε τις εντολές να έχουν μεταβλητό πλήθος ορισμάτων- π.χ. add a,b,c πάντα: a=b+c Θυμηθείτε την 1η αρχή: H ομοιομορφία των λειτουργιών συμβάλλει στην απλότητα του h/w

12 17/4/2015 Σύνολο Εντολών Instruction Set Λέξεις της γλώσσας του υπολογιστή – εντολές Γλώσσες των υπολογιστών – όμοιες Στο μάθημα, σύνολο εντολών MIPS

13 17/4/ Αφού οι καταχωρητές είναι τόσο....«γρήγοροι» γιατί να μην μεγαλώσουμε το μέγεθος του register file? 2η αρχή: Όσο μικρότερο τόσο ταχύτερο! Αν το register file πολύ μεγάλο, πιο πολύπλοκη η αποκωδικοποίηση, πιο μεγάλος ο κύκλος ρολογιού (φάση ID) άρα.....υπάρχει tradeoff Μνήμη οργανωμένη σε bytes: (Κάθε byte και ξεχωριστή δνση) 2 30 λέξεις μνήμης των 32 bit (4 bytes) κάθε μια $s0, $s1,… καταχωρητές (μεταβλητές συνήθως) $t0, $t1,… καταχωρητές (προσωρινές τιμές) $zero ειδικός καταχωρητής περιέχει το 0 Memory [0] 32 bits Memory [4] 32 bits Memory [8] 32 bits Memory [12] 32 bits

14 17/4/ Big Endian vs Little Endian Big Endian: H δνση του πιο σημαντικού byte (MSB) είναι και δνση της λέξης Little Endian: H δνση του λιγότερο σημαντικού byte (LSB) είναι και δνση της λέξης H λέξη αποθηκεύεται πάντα σε συνεχόμενες θέσεις: δνση, δνση+1,.., δνση+3 A[0]0MSB 1 2 3LSB A[1]4MSB 5 6 7LSB A[2]8MSB LSB A[0]0LSB 1 2 3MSB A[1]4LSB 5 6 7MSB A[2]8LSB MSB BIG_ENDIAN LITTLE_ENDIAN 8 bits

15 17/4/ MIPS ISA (βασικές εντολές) add $s1, $s2, $s3 # $s1 = $s2+$s3 sub $s1, $s2, $s3 # $s1 = $s2-$s3 Αριθμητικές εντολές add, sub: πάντα τρία ορίσματα - ποτέ δνση μνήμης! Εντολές μεταφοράς δεδομένων (load-store): Εδώ έχουμε αναφορά στη μνήμη (πόσοι τρόποι? Θα το δούμε στη συνέχεια) lw $s1, 100($s2) # $s1 = Memory(100+$s2) (load word) sw $s1, 100($s2) # Memory(100+$s2) = $s1(store word)

16 17/4/2015 Λειτουργίες υλικού υπολογιστών Αριθμητικές Πράξεις add a, b, c #a← b + c a = b + c + d + e; – add a, b, c – add a, a, d – add a, a, e 3 εντολές για το άθροισμα 4 μεταβλητών

17 17/4/2015 Παράδειγμα: Κώδικας σε C a = b + c; d = a – e; Μετάφραση σε κώδικα MIPS add a, b, c sub d, a, e Λειτουργίες υλικού υπολογιστών

18 17/4/ Παράδειγμα: f = (g + h) – (i + j); Τι παράγει ο compiler? add t0, g, h # προσωρινή μεταβλητή t0 add t1, i, j # προσωρινή μεταβλητή t1 sub f, t0, t1 # το f περιέχει το t0 – t1 Λειτουργίες υλικού υπολογιστών

19 17/4/ Λειτουργίες υλικού υπολογιστών ΚατηγορίαΕντολήΠαράδειγμαΣημασίαΣχόλια Αριθμητικές Πράξεις add add a, b, c a = b + c Πάντα 3 τελεστέοι subtract sub a, b, c a = b - c Πάντα 3 τελεστέοι

20 17/4/ f = (g + h) – (i + j); (f,g,h,i,j) ανατίθενται σε ($s0,$s1,$s2,$s3,$s4) $t0, $t1 προσωρινοί καταχωρητές add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1 Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

21 17/4/ Γλώσσες προγραμματισμού έχουν: απλές μεταβλητές σύνθετες δομές (π.χ. arrays, structs) Πώς τις αναπαριστά ένας υπολογιστής; Πάντα στη μνήμη Εντολές μεταφοράς δεδομένων Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

22 17/4/ Εντολές μεταφοράς δεδομένων Π.χ. Διεύθυνση του 3 στοιχείου είναι 2 Τιμή στοιχείου Memory[2] είναι 10 Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

23 17/4/ Εντολή μεταφοράς δεδομένων από τη μνήμη load καταχωρητής, σταθερά(καταχωρητής) π.χ. lw $t1, 4($s2) φορτώνουμε στον $t1 την τιμή M[$s2+4] Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

24 17/4/ Παράδειγμα: Α πίνακας 100 λέξεων (4 bytes η λέξη) g, h ανατίθενται σε $s1, $s2 αρχική διεύθυνση του A στον $s3 Μεταγλωττίστε g = h + A[8]; lw $t0, 32($s3) add $s1, $s2, $t0 offsetbase register Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

25 17/4/ Μνήμη είναι byte addressable Δύο διαδοχικές λέξεις διαφέρουν κατά 4 alignment restriction (ευθυγράμμιση) –λέξεις ξεκινάνε πάντα σε διεύθυνση πολ/σιο του 4 Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

26 17/4/ Σταθερές: Πρόσθεση της τιμής 4 στον $s3 lw $t0, AddrConstant4($s1) add $s3, $s3, $t0 ή addi $s3, $s3, 4 Make common case FAST Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

27 17/4/ Τελεστέοι MIPS 32 καταχωρητές $s0, $s1, θέσεις λέξεων στη μνήμη 2 32 θέσεις byte στη μνήμη Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

28 17/4/ Συμβολική γλώσσα MIPS Παραδείγματα add $s1, $s2, $s3 sub $s1, $s2, $s3 addi $s1, $s2, 100 lw $s1, 100($s2) sw $s1,100($s2) Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

29 17/4/ Πόσο γρήγορα πληθαίνουν οι καταχωρητές σε έναν επεξεργαστή; 1.Πολύ γρήγορα (Νόμος Moore, 2 ος αριθμός τρανζίστορ/18 μήνες) 2.Πολύ αργά (portable binary code) Π.χ. Θέλουμε τα προγράμματά μας να τρέχουν και στον Pentium III και στον Pentium IV Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών

30 17/4/ Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή Δυαδικά ψηφία, Δυαδικό σύστημα (binary) Υλικό υπολογιστών, υψηλή-χαμηλή τάση, κλπ. Kαταχωρητές $s0,..., $s7 αντιστοιχίζονται στους 16 ως 23 $t0,..., $t7 αντιστοιχίζονται στους 8 ως 15

31 17/4/ Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή Συμβολική αναπαράσταση: add $t0, $s1, $s2 Πώς την καταλαβαίνει ο MIPS? add $s1 $s2 $t0unused bit5 bit 6 bit Κώδικας μηχανής Assembly

32 17/4/ Μορφή Εντολής - Instruction Format Θυμηθείτε το 1ο κανόνα: Η ομοιομορφία των λειτουργιών συμβάλλει στην απλότητα του υλικού oprsrtrdshamtfunct 6 bits5bits 6bits R-Type (register type) Op : opcode rs,rt : register source operands Rd : register destination operand Shamt : shift amount Funct: op specific (function code) add $rd, $rs, $rt

33 17/4/2015 MIPS R-Type (ALU) Παραδείγματα : – add $1,$2,$3and $1,$2,$3 – sub $1,$2,$3or $1,$2,$ OPrs rt rdshamtfunct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits R-Type: Όλες οι εντολές της ALU που χρησιμοποιούν 3 καταχωρητές Destination register in rdOperand register in rt Operand register in rs

34 17/4/ Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή oprsrtrdshamtfunct 6 bit5 bit 6 bit Τι γίνεται με τη load? Πώς χωράνε οι τελεστές της στα παραπάνω πεδία? Π.χ. η σταθερά της lw. lw $t1, 8000($s3) σε ποιο πεδίο χωράει;

35 17/4/ Ερώτηση: Μας αρκεί το R-Type? Τι γίνεται με εντολές που θέλουν ορίσματα διευθύνσεις ή σταθερές? Θυμηθείτε, θέλουμε σταθερό μέγεθος κάθε εντολής (32 bit) Απάντηση: Μάλλον όχι Άρα: H καλή σχεδίαση απαιτεί σημαντικούς συμβιβασμούς (3η αρχή) Ι-Type: oprsrtaddress_offset 6 bits5 bits 16 bits Τα 3 πρώτα πεδία (op,rs, rt) έχουν το ίδιο όνομα και μέγεθος όπως και πριν lw $rt, address_offset($rs)

36 17/4/ Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή Παράδειγμα: lw $t0, 32($s3) oprsrtσταθερά ή διεύθυνση 6 bit5 bit 16 bit xxxxxx19832 Kαταχωρητές (σκονάκι ) $s0,..., $s7 αντιστοιχίζονται στους 16 ως 23 $t0,..., $t7 αντιστοιχίζονται στους 8 ως 15 I-format

37 17/4/ ΕπεξεργαστήςΑριθμός καταχωρητών γενικού σκοπού ΑρχιτεκτονικήΈτος EDSAC1accumulator1949 IBM 7011accumulator1953 CDC 66008load-store1963 IBM 36016register-memory1964 DEC PDP-81accumulator1965 DEC PDP-118Register-memory1970 Intel 80081accumulator1972 Motorola 68002accumulator1974 DEC VAX16register-memory, memory-memory1977 Intel 80868extended accumulator1978 Motorola register-memory1980 Intel register-memory1985 MIPS32load-store1985 HP PA-RISC32load-store1986 SPARC32load-store1987 PowerPC32load-store1992 DEC Alpha32load-store1992

38 17/4/2015 Κανόνες Ονοματοδοσίας και Χρήση των MIPS Registers Εκτός από το συνήθη συμβολισμό των καταχωρητών με $ ακολουθούμενο από τον αριθμό του καταχωρητή, μπορούν επίσης να παρασταθούν και ως εξής : Αρ. Καταχωρητή Όνομα Χρήση Preserved on call? $zero $at $v0-$v1 $a0-$a3 $t0-$t7 $s0-$s7 $t8-$t9 $k0-$k1 $gp $sp $fp $ra Constant value 0 Reserved for assembler Values for result and expression evaluation Arguments Temporaries Saved More temporaries Reserved for operating system Global pointer Stack pointer Frame pointer Return address n.a. όχι ναι όχι ναι όχι ναι

39 17/4/2015 MIPS I-Type : Load/Store – address: 16-bit memory address offset in bytes added to base register. Παραδείγματα : – Store word: sw 500($4), $3 – Load word: lw $1, 30($2) OPrs rt address 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits Offset base register in rs source register in rt Destination register in rt Offset base register in rs

40 17/4/2015 MIPS ALU I-Type – immediate: Constant second operand for ALU instruction. Παραδείγματα : – add immediate: addi $1,$2,100 – and immediate andi $1,$2, Οι I-Type εντολές της ALU χρησιμοποιούν 2 καταχωρητές και μία σταθερή τιμή I-Type είναι και οι εντολές Loads/stores, conditional branches. OPrs rt immediate 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits Result register in rt Source operand register in rs Constant operand in immediate

41 17/4/2015 MIPS data transfer instructions Παραδείγματα InstructionΣχόλια sw 500($4), $3Store word sh 502($2), $3Store half sb 41($3), $2Store byte lw $1, 30($2)Load word lh $1, 40($3)Load halfword lhu $1, 40($3)Load halfword unsigned lb $1, 40($3)Load byte lbu $1, 40($3)Load byte unsigned lui $1, 40Load Upper Immediate (16 bits shifted left by 16) … 0000 LUI R5 R5

42 17/4/ We'd like to be able to load a 32 bit constant into a register Must use two instructions; new "load upper immediate" instruction lui $t0, ori filled with zeros How about larger constants? Then must get the lower order bits right, i.e., ori $t0, $t0,

43 17/4/2015 Topics to Review Memory layout Text, data (static and heap), and the stack Procedure conventions Procedure call bookkeeping Caller Saved Registers: Return address$ra Arguments$a0, $a1, $a2, $a3 Return value$v0, $v1 $t Registers$t0 - $t9 Callee Saved Registers: $s Registers$s0 - $s7 Procedure structure Prologue:allocate frame, save registers, assign locals Body:procedure code Epilogue:restore registers, free frame

44 17/4/2015 Overview Data types – Application / HLL requirements – Hardware support (data and instructions) MIPS data types Support for bytes and strings Addressing Modes – Data – Instructions Large constants and far target addresses SPIM code

45 17/4/2015 Data Types Applications / HLL – Integer – Floating point Character – String – Date – Currency – Text, – Objects (ADT) – Blob – double precision – Signed, unsigned Hardware support –Numeric data types –Integers –8 / 16 / 32 / 64 bits –Signed or unsigned –Binary coded decimal (COBOL, Y2K!) Floating point 32 / 64 /128 bits –Nonnumeric data types Characters Strings Boolean (bit maps) Pointers

46 17/4/2015 MIPS Data Types (1/2) Basic machine data type: 32-bit word – – Integers (signed or unsigned) 1,128,878,917 – Floating point numbers – 4 ASCII characters C I S E – Memory addresses (pointers) 0x – Instructions

47 17/4/2015 MIPS Data Types (2/2) 16-bit constants (immediates) – addi $s0, $s1, 0x8020 – lw $t0, 20($s0) Half word (16 bits) – lh (lhu): load half word lh $t0, 20($s0) – sh: save half word sh $t0, 20($s0) Byte (8 bits) – lb (lbu): load byte sh $t0, 20($s0) – sb: save byte sh $t0, 20($s0)

48 17/4/2015 Byte Instructions lb $s1, 4($s0) x AddressMemory Bytes 0x xFFFFFFAA $s0 : $s1 : lbu $s1, 2($s0) 0x x AA $s0 : $s1 :

49 17/4/2015 String Manipulation Void strcpy (char[], char y[]) { int i; i = 0; while ((x[i]=y[i]) != 0) i = i + 1; } strcpy: subi $sp, $sp, 4 sw $s0, 0($sp) add $s0, $zero, $zero L1: add $t1, $a1, $s0 lb $t2, 0($t1) add $t3, $a0, $s0 sb $t2, 0($t3) beq $t2, $zero, L2 addi $s0, $s0, 1 j L1 L2: lw $s0, 0($sp) addi $sp, $sp, 4 jr $ra C convention: Null byte ( ) represents end of the string Importance of comments in MIPS!

50 17/4/2015 Constants Small constants are used frequently (50% of operands) – e.g., A = A + 5; Solutions – Put 'typical constants' in memory and load them. – Create hard-wired registers (like $zero) for constants like 1. MIPS Instructions: slti $8, $18, 10 andi $29, $29, 6 ori $29, $29, 0x4a addi $29, $29,

51 17/4/2015 Large Constants To load a 32 bit constant into a register: 1. Load (16) higher order bits lui $t0, Then must get the lower order bits right, i.e., ori $t0, $t0, $t0: ori

52 17/4/2015 Addressing Modes Addresses for data and instructions Data (operands and results) – Registers – Memory locations – Constants Efficient encoding of addresses (space: 32 bits) – Registers (32) => 5 bits to encode address – Destructive instructions: reg2 = reg2 + reg1 – Accumulator – Stack Orthogonality of opcodes and addressing modes

53 17/4/2015 Data Addressing Modes Register addressing – The most common (fastest and shortest) – add $3, $2, $1 Base addressing – Operand is at a memory location with offset – lw $t0, 20 ($t1) Immediate addressing – Operand is a small constant within the instruction – addi $t0, $t1, 4 (signed 16-bit integer)

54 17/4/2015 Addressing ByteHalfwordWord Registers Memory Memory Word Memory Word Register Register 1. Immediate addressing 2. Register addressing 3. Base addressing 4. PC-relative addressing 5. Pseudodirect addressing oprsrt oprsrt oprsrt op op rsrt Address Address Address rd...funct Immediate PC PC + + * 4

55 17/4/2015 Instruction Addressing Modes Addresses are 32 bits long Special purpose register PC (program counter) stores the address of the current instruction PC-relative addressing (branches) – Address: PC + (constant in the instruction) * 4 – beq $t0, $t1, 20 (0x ) Pseudodirect addressing (jumps) – Address: PC[31:28] : (constant in the instruction) *

56 17/4/2015 SPIM Code MIPS machine code Pseudo MIPS add $9, $10, $11 (0x014b4820) main: add $t1, $t2, $t3 j 0x [exit] (0x ) j exit addi $9, $10, -50 (0x2149ffce) addi $t1, $t2, -50 lw $8, 5($9) (0x8d280005) lw $t0, 5($t1) lw $8, -5($9) (0x8d28fffb) lw $t0, -5($t1) bne $8, $9, 20 [exit-PC] (0x ) bne $t0, $t1, exit addi $9, $10, 50 (0x ) addi $t1, $t2, 50 bne $8, $9, -28 [main-PC] (0x1509fff9) bne $t0, $t1, main lb $8, -5($9) (0x8128fffb) lb $t0, -5($t1) j 0x [main] (0x ) j main add $9, $10, $11 (0x014b4820) exit: add $t1, $t2, $t3 [0x ] [0x ] [0x ] [0x c] [0x ] [0x ] [0x ] [0x c] [0x ] [0x ] [0x ] main exit PC

57 17/4/2015 Far Target Address Text Segment (252MB) 0x (0x ) PC bne $s0, $s1, L2 j L1 L2: L1: beq $s0, $s1, L1 0x (0x ) (0x07fe0000) (0x )

58 17/4/ Overview Pointers (addresses) and values Argument passing Storage lifetime and scope Pointer arithmetic Pointers and arrays Pointers in MIPS

59 17/4/ Pointers Pointer: a variable that contains the address of another variable –HLL version of machine language memory address Why use Pointers? –Sometimes only way to express computation –Often more compact and efficient code Why not? –Huge source of bugs in real software, perhaps the largest single source 1) Dangling reference (premature free) 2) Memory leaks (tardy free): can't have long-running jobs without periodic restart of them

60 17/4/ C Pointer Operators Suppose c has value 100, it is located in memory at address 0x Unary operator & gives address: p = &c; gives address of c to p ; –p “points to” c (p == 0x ) Unary operator * gives value that pointer points to –if p = &c => * p == 100 (Dereferencing a pointer) Deferencing  data transfer in assembler –... =... *p... ;  load (get value from location pointed to by p) –*p =... ;  store (put value into location pointed to by p)

61 17/4/ Pointer Arithmetic int x = 1, y = 2;/* x and y are integer variables */ int z[10];/* an array of 10 ints, z points to start */ int *p;/* p is a pointer to an int */ x = 21;/* assigns x the new value 21 */ z[0] = 2; z[1] = 3/* assigns 2 to the first, 3 to the next */ p = &z[0];/* p refers to the first element of z */ p = z; /* same thing; p[ i ] == z[ i ]*/ p = p+1;/* now it points to the next element, z[1] */ p++;/* now it points to the one after that, z[2] */ *p = 4;/* assigns 4 to there, z[2] == 4*/ p = 3;/* bad idea! Absolute address!!! */ p = &x;/* p points to x, *p == 21 */ z = &yillegal!!!!! array name is not a variable y: x: p: z[0] z[1]

62 17/4/ Assembly Code c is int, has value 100, in memory at address 0x , p in $a0, x in $s0 1.p = &c; /* p gets 0x */ lui $a0,0x1000 # p = 0x x = *p; /* x gets 100 */ lw $s0, 0($a0) # dereferencing p 3.*p = 200; /* c gets 200 */ addi $t0,$0,200 sw $t0, 0($a0) # dereferencing p

63 17/4/ Example int strlen(char *s) { char *p = s; /* p points to chars */ while (*p != ’\0’) p++; /* points to next char */ return p - s; /* end - start */ } mov $t0,$a0 lbu $t1,0($t0) /* derefence p */ beq $t1,$zero, Exit Loop:addi $t0,$t0,1 /* p++ */ lbu $t1,0($t0) /* derefence p */ bne $t1,$zero, Loop Exit:sub $v0,$t0,$a0 jr $ra

64 17/4/ Argument Passing Options 2 choices –“Call by Value”: pass a copy of the item to the function/procedure –“Call by Reference”: pass a pointer to the item to the function/procedure Single word variables passed by value Passing an array? e.g., a[100] –Pascal (call by value) copies 100 words of a[] onto the stack –C (call by reference) passes a pointer (1 word) to the array a[] in a register

65 17/4/ Lifetime of Storage and Scope Automatic (stack allocated) –Typical local variables of a function –Created upon call, released upon return –Scope is the function Heap allocated –Created upon malloc, released upon free –Referenced via pointers External / static –Exist for entire program CodeStatic Heap Stack

66 17/4/ Arrays, Pointers, and Functions 4 versions of array function that adds two arrays and puts sum in a third array (sumarray) 1.Third array is passed to function 2.Using a local array (on stack) for result and passing a pointer to it 3.Third array is allocated on heap 4.Third array is declared static Purpose of example is to show interaction of C statements, pointers, and memory allocation

67 17/4/ Version 1 int x[100], y[100], z[100]; sumarray(x, y, z); C calling convention means: sumarray(&x[0], &y[0], &z[0]); Really passing pointers to arrays addi $a0,$gp,0 # x[0] starts at $gp addi $a1,$gp,400 # y[0] above x[100] addi $a2,$gp,800 # z[0] above y[100] jal sumarray

68 17/4/ Version1: Compiled Code void sumarray(int a[], int b[], int c[]) { int i; for(i = 0; i < 100; i = i + 1) c[i] = a[i] + b[i]; } addi$t0,$a0,400 # beyond end of a[] Loop:beq$a0,$t0,Exit lw$t1, 0($a0) # $t1=a[i] lw$t2, 0($a1) # $t2=b[i] add$t1,$t1,$t2 # $t1=a[i] + b[i] sw$t1, 0($a2) # c[i]=a[i] + b[i] addi$a0,$a0,4 # $a0++ addi$a1,$a1,4 # $a1++ addi$a2,$a2,4 # $a2++ jLoop Exit:jr $ra

69 17/4/ Version 2 int *sumarray(int a[],int b[]) { int i, c[100]; for(i=0;i<100;i=i+1) c[i] = a[i] + b[i]; return c; } addi $t0,$a0,400 # beyond end of a[] addi $sp,$sp,-400 # space for c addi $t3,$sp,0 # ptr for c addi $v0,$t3,0 # $v0 = &c[0] Loop: beq $a0,$t0,Exit lw $t1, 0($a0) # $t1=a[i] lw $t2, 0($a1) # $t2=b[i] add $t1,$t1,$t2 # $t1=a[i] + b[i] sw $t1, 0($t3) # c[i]=a[i] + b[i] addi $a0,$a0,4 # $a0++ addi $a1,$a1,4 # $a1++ addi $t3,$t3,4 # $t3++ j Loop Exit: addi $sp,$sp, 400 # pop stack jr $ra c[100] $sp a[100] B[100]

70 17/4/ Version 3 int * sumarray(int a[],int b[]) { int i; int *c; c = (int *) malloc(100); for(i=0;i<100;i=i+1) c[i] = a[i] + b[i]; return c; } CodeStatic Heap Stack c[100] Not reused unless freed –Can lead to memory leaks –Java, Scheme have garbage collectors to reclaim free space

71 17/4/ Version 3: Compiled Code addi$t0,$a0,400 # beyond end of a[] addi $sp,$sp,-12 # space for regs sw$ra, 0($sp) # save $ra sw$a0, 4($sp) # save 1st arg. sw$a1, 8($sp) # save 2nd arg. addi$a0,$zero,400 jalmalloc addi $t3,$v0,0# ptr for c lw$a0, 4($sp) # restore 1st arg. lw$a1, 8($sp) # restore 2nd arg. Loop:beq $a0,$t0,Exit... (loop as before on prior slide ) jLoop Exit:lw $ra, 0($sp) # restore $ra addi $sp, $sp, 12 # pop stack jr $ra

72 17/4/ Version 4 int * sumarray(int a[],int b[]) { int i; static int c[100]; for(i=0;i<100;i=i+1) c[i] = a[i] + b[i]; return c; } Compiler allocates once for function, space is reused –Will be changed next time sumarray invoked –Why describe? used in C libraries Code Static Heap Stack c[100]

73 17/4/ Review

74 17/4/ Review

75 17/4/2015 Conclusions Data can be anything – Datatyping restricts data representations – Applications restrict datatyping MIPS Datatypes: Number, String, Boolean Addressing: Pointers, Values – Many addressing modes (direct, indirect,…) – Memory-based address storage ( jr instruction) Arrays: big chunks of memory – Pointers versus stack storage – Be careful of memory leaks!

76 17/4/ Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή εντολήμορφήoprsrtrdshamtfunctaddress add R0reg 032 ten δ.ε. sub R0reg 034 ten δ.ε. addi I8 ten reg δ.ε. σταθ. lw I35 ten reg δ.ε. διευθ. sw I43 ten reg δ.ε. διευθ.

77 17/4/2015 Παράδειγμα: $t1 περιέχει base address πίνακα Α (32 bit/στοιχείο Α[i]) $s2 αντιστοιχίζεται στη μεταβλητή h Μεταγλωττίστε το A[300] = h + A[300]; lw $t0, 1200($t1) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 1200($t1) Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή

78 17/4/ Παράδειγμα (συνέχεια): lw $t0, 1200($t1) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 1200($t1) Κώδικας Μηχανής? oprsrtrdshamtfunct Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή

79 17/4/ Παράδειγμα (συνέχεια): Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή oprsrtrdshamtfunct oprsrtrdshamtfunct

80 17/4/2015 Έννοια αποθηκευμένου προγράμματος Ο υπολογιστής κάνει πολλές εργασίες φορτώνοντας δεδομένα στο μνήμη. Δεδομένα και εντολές είναι στοιχεία στη μνήμη. Π.χ. compilers μεταφράζουν στοιχεία σε κάποια άλλα στοιχεία Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή

81 17/4/2015 Λογικές ΛειτουργίεςΤελεστές CΕντολές MIPS Shift left<< Sll (shift left logical) Shift right>> Srl (shift right logical) AND& and, andi OR| or, ori NOT~ nor Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις)

82 17/4/2015 SHIFT $s0: = 9 ten sll $t2, $s0, 4 Κάνουμε shift αριστερά το περιεχόμενο του $s0 κατά 4 θέσεις = 144 ten και τοποθετούμε το αποτέλεσμα στον $t2. !!Το περιεχόμενο του $s0 μένει αμετάβλητο!! Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις)

83 17/4/ SHIFT sll $t2, $s0, 4 Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις) oprsrtrdshamtfunct bit5 bit 6 bit Kαταχωρητές (σκονάκι ) $s0,..., $s7 αντιστοιχίζονται στους 16 ως 23 $t0,..., $t7 αντιστοιχίζονται στους 8 ως 15 sll: opcode=0, funct=0

84 17/4/ AND, OR $t2: $t1: and $t0, $t1, $t2# Μάσκα $t0: or $t0, $t1, $t2 $t0: Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις)

85 17/4/ NOT, NOR $t1: $t3: not $t0, $t1 δεν υπάρχει γιατί θέλουμε πάντα 2 καταχωρητές source. Άρα χρησιμοποιούμε τη nor: A NOR 0 = NOT (A OR 0) = NOT A nor $t0, $t1, $t3 $t0: Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις)

86 17/4/2015 MIPS Arithmetic Instructions Παραδείγματα InstructionΠαράδειγμα ΈννοιαΣχόλια add add $1,$2,$3 $1 = $2 + $3 3 operands; exception possible subtractsub $1,$2,$3 $1 = $2 – $3 3 operands; exception possible add immediateaddi $1,$2,100 $1 = $ constant; exception possible add unsignedaddu $1,$2,$3 $1 = $2 + $3 3 operands; no exceptions subtract unsignedsubu $1,$2,$3 $1 = $2 – $3 3 operands; no exceptions add imm. unsign. addiu $1,$2,100 $1 = $ constant; no exceptions multiply mult $2,$3 Hi, Lo = $2 x $3 64-bit signed product multiply unsignedmultu$2,$3 Hi, Lo = $2 x $3 64-bit unsigned product divide div $2,$3 Lo = $2 ÷ $3, Lo = quotient, Hi = remainder Hi = $2 mod $3 divide unsigned divu $2,$3 Lo = $2 ÷ $3, Unsigned quotient & remainder Hi = $2 mod $3 Move from Himfhi $1 $1 = Hi Used to get copy of Hi Move from Lomflo $1 $1 = Lo Used to get copy of Lo

87 17/4/2015 MIPS Logic/Shift Instructions Παραδείγματα InstructionΠαράδειγμα ΈννοιαΣχόλια and and $1,$2,$3$1 = $2 & $33 reg. operands; Logical AND oror $1,$2,$3$1 = $2 | $33 reg. operands; Logical OR xorxor $1,$2,$3$1 = $2  $33 reg. operands; Logical XOR nornor $1,$2,$3$1 = ~($2 |$3)3 reg. operands; Logical NOR and immediateandi $1,$2,10$1 = $2 & 10Logical AND reg, constant or immediateori $1,$2,10$1 = $2 | 10Logical OR reg, constant xor immediate xori $1, $2,10 $1 = ~$2 &~10Logical XOR reg, constant shift left logicalsll $1,$2,10$1 = $2 << 10Shift left by constant shift right logicalsrl $1,$2,10$1 = $2 >> 10Shift right by constant shift right arithm.sra $1,$2,10$1 = $2 >> 10Shift right (sign extend) shift left logicalsllv $1,$2,$3$1 = $2 << $3 Shift left by variable shift right logicalsrlv $1,$2, $3 $1 = $2 >> $3 Shift right by variable shift right arithm.srav $1,$2, $3 $1 = $2 >> $3 Shift right arith. by variable

88 17/4/ beq, bne beq reg1, reg2, L1#branch if equal Αν οι καταχωρητές reg1 και reg2 είναι ίσοι, πήγαινε στην ετικέτα L1 bne reg1, reg2, L1#branch if not equal Αν οι καταχωρητές reg1 και reg2 δεν είναι ίσοι, πήγαινε στην ετικέτα L1 Εντολές Λήψης Αποφάσεων

89 17/4/ Παράδειγμα: if(i == j) f = g + h; else f = g – h; με f, g, h, i, j αντιστοιχούνται σε $s0,..., $s4 Εντολές Λήψης Αποφάσεων version 1 bne $s3, $s4, Else add $s0, $s1, $s2 j Exit Else:sub $s0, $s1, $s2 Exit: version 2 beq $s3, $s4, Then sub $s0, $s1, $s2 j Exit Then: add $s0, $s1, $s2 Exit:

90 17/4/ Βρόχοι (Loops) while (save[i] == k) i += 1; με i = $s3, k = $s5, save base addr = $s6 Loop:sll$t1, $s3, 2 #πολ/ζω i επί 4 add$t1, $t1, $s6 lw $t0, 0($t1) bne$t0, $s5, Exit addi $s3, $s3, 1 j Loop Exit: Εντολές Λήψης Αποφάσεων

91 17/4/ Συγκρίσεις slt $t0, $s3, $s4 # set on less than Ο καταχωρητής $t0 τίθεται με 1 αν η τιμή στον $s3 είναι μικρότερη από την τιμή στο $s4. Σταθερές ως τελεστέοι είναι δημοφιλείς στις συγκρίσεις slti $t0, $s2, 10 # set on less than # immediate Ο καταχωρητής $t0 τίθεται με 1 αν η τιμή στον $s2 είναι μικρότερη από την τιμή 10. Εντολές Λήψης Αποφάσεων

92 17/4/2015 MIPS Branch, Compare, Jump Παραδείγματα InstructionΠαράδειγμα Έννοια branch on equalbeq $1,$2,100if ($1 == $2) go to PC Equal test; PC relative branch branch on not eq.bne $1,$2,100if ($1!= $2) go to PC Not equal test; PC relative branch set on less thanslt $1,$2,$3if ($2 < $3) $1=1; else $1=0 Compare less than; 2’s comp. set less than imm.slti $1,$2,100if ($2 < 100) $1=1; else $1=0 Compare < constant; 2’s comp. set less than uns.sltu $1,$2,$3if ($2 < $3) $1=1; else $1=0 Compare less than; natural numbers set l. t. imm. uns.sltiu $1,$2,100if ($2 < 100) $1=1; else $1=0 Compare < constant; natural numbers jumpj 10000go to Jump to target address jump registerjr $31go to $31 For switch, procedure return jump and linkjal 10000$31 = PC + 4; go to For procedure call

93 17/4/ Εντολές διακλάδωσης-branching instructions branch if equal beq $s3, 4s4, L1 # goto L1 if $s3 equals $s4 branch if !equal bne $s3, 4s4, L1 # goto L1 if $s3 not equals $s4 unconditional Jump j L1 # goto L1 jr $t1 # goto $t είναι I –Type εντολές Όμως: slt $t0, $s3, $s4 #set $t0 to 1 if $s3 is less than $s4;else set $t0 to 0 Πόσο μεγάλο είναι το μήκος του address L1; Πόσο «μεγάλο» μπορεί να είναι το άλμα;

94 17/4/2015 MIPS Branch I-Type – address: 16-bit memory address branch target offset in words added to PC to form branch address. Παραδείγματα : Branch on equal beq $1,$2,100 Branch on not equal bne $1,$2, OPrs rt address 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits Register in rs Register in rt Final offset is calculated in bytes, equals to {instruction field address} x 4, e.g. new PC = PC + 400

95 17/4/2015 MIPS J-Type – jump target: jump memory address in words. Παραδείγματα : – Branch on equal j – Branch on not equal jal J-Type: jump j, jump and link jal OP jump target 6 bits 26 bits final jump memory address in bytes is calculated from {jump target} x 4

96 17/4/2015 Other Jump Instructions Jump (J-type): – j 10000# jump to address Jump Register (NB: R-type!): – jr rs# jump to 32 bit address in register rs Jump and Link (J-type): – jal 10000# jump to and save PC in R31 – Use jal for procedure calls, it saves the return address (PC+4) in register 31 ($ra) – Use “jr $ra” to return from subroutine – Nested procedures must save $ra on a stack, and should use registers $sp (stack pointer) and $fp (frame pointer) manage the stack

97 17/4/2015 Summary of MIPS instruction formats R-type (add, sub, slt, jr) I-type (beq, bne + addi, lui + lw, sw) J-type (j, jal) oprsrtrdshamtfunct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits oprsrtimmediate value / address offset 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits opjump target address 6 bits 26 bits

98 17/4/ Απ’ ευθείας διευθυνσιοδότηση- Σταθερές Οι πιο πολλές αριθμητικές εκφράσεις σε προγράμματα, περιέχουν σταθερές: π.χ. index++ Στον κώδικα του gcc: 52% εκφράσεων έχουν constants Στον κώδικα του spice: 69% των εκφράσεων! Τι κάνουμε με τις σταθερές (και αν είναι > 16bit;) Θέλουμε: $s3=$s3+2 lw $t0, addr_of_constant_2($zero) add $s3,$s3,$t0 Αλλιώς: addi $s3,$s3,2 (add immediate) Όμοια: slti $t0,$s2, 10 # $t0=1 if $s2<10

99 17/4/ Τρόποι Διευθυνσιοδότησης στον MIPS: 1.Register Addressing 2.Base or Displacement Addressing 3.Immediate Addressing 4.PC-relative addressing (address is the sum of the PC and a constant in the instruction) 5.Pseudodirect addressing (the jump address is the 26 bits of the instruction, concatenated with the upper bits of the PC)

100 17/4/ add $rd,$rs,$rt π.χ. add $t0,$s1,$s2 lw $rt,address($rs) π.χ. lw $t1,100($s2) I-Type R-Type I-Type J-Type addi $rt,$rs,immediate π.χ. lui $t0, 255 slti $t0, $s1, 10 bne $rs,$rt,address # goto {4 x address (0:15)} π.χ. bne $s0,$s1,L2 j address # goto {4 x address(0:25)}(0:27)-(28:31)(PC)

101 17/4/2015 Addressing Modes : Παραδείγματα Addr. modeΠαράδειγμαΈννοιαχρήση Registeradd r4,r3Regs[r4]← Regs[r4]+ Regs[r3]a value is in register Immediateadd r4,#3Regs[r4]← Regs[r4]+3for constants Displacementadd r4,100(r1)Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[100+ Regs[r1]]local variables Reg. indirectadd r4,(r1)Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[Regs[r1]]accessing using a pointer or comp. address Indexedadd r4,(r1+r2)Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[Regs[r1]+ Regs[r2]] array addressing (base +offset) Directadd r4,(1001)Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[1001]addr. static data Mem. Indirectadd Regs[r4]+Mem[Mem[Regs[r3]]] if R3 keeps the address of a pointer p, this yields *p Autoincrementadd r4,(r3)+Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[Regs[r3]] Regs[r3]← Regs[r3]+d stepping through arrays within a loop; d defines size of an element Autodecrementadd r4,-(r3)Regs[r3]← Regs[r3]-d Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[Regs[r3]] similar as previous Scaledadd r4,100(r2)[r3]Regs[r4]← Regs[r4]+ Mem[100+Regs[r2]+Regs[r3]*d] to index arrays


Κατέβασμα ppt "17/4/2015 2010-20111 Οργάνωση Υπολογιστών 5 “συστατικά” στοιχεία -Επεξεργαστής: datapath (δίοδος δεδομένων) (1) και control (2) -Μνήμη (3) -Συσκευές."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google