Οργάνωση Υπολογιστών 5 “συστατικά” στοιχεία -Επεξεργαστής:

Παρουσίαση με θέμα: "Οργάνωση Υπολογιστών 5 “συστατικά” στοιχεία -Επεξεργαστής:"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 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! cslab.ntua.gr (c) 2001

2 Instruction Set Architectures
Αρχιτεκτονικές Συνόλου Εντολών Instruction Set Architectures Instruction Fetch (IF) Decode (ID) Operand Fetch (OF) Execute (Ex) Result Store (WB) Next Αριθμός εντολών 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; Πόσοι κύκλοι για κάθε εντολή; cslab.ntua.gr (c) 2001

3 Κατηγορίες Αρχιτεκτονικών Συνόλου Εντολών
(ISA Classes) Αρχιτεκτονικές Συσσωρευτή (accumulator architectures) (μας θυμίζει κάτι?) Αρχιτεκτονικές επεκταμένου συσσωρευτή ή καταχωρητών ειδικού σκοπού (extended accumulator ή special purpose register) Αρχιτεκτονικές Καταχωρητών Γενικού Σκοπού 3α. register-memory 3b. register-register (RISC) cslab.ntua.gr (c) 2001

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 Load AddressB Add AddressC Store AddressA Accum = Memory(AddressB); Accum = Accum + Memory(AddressC); Memory(AddressA) = Accum; Όλες οι μεταβλητές αποθηκεύονται στη μνήμη. Δεν υπάρχουν βοηθητικοί καταχωρητές cslab.ntua.gr (c) 2001

5 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) cslab.ntua.gr (c) 2001

6 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. cslab.ntua.gr (c) 2001

7 Αρχιτεκτονικές Καταχωρητών γενικού σκοπού
register-register Register-memory Αφήνουν το ένα όρισμα να είναι στη μνήμη (πχ ) Register-register (load store) (1980+) accumulator Memory-memory extended-accumulator register-memory Load R1, B Add R1, C Store A, R1 Load R2, C Add R3, R1, R2 Store A, R3 A=B+C cslab.ntua.gr (c) 2001

8 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 cslab.ntua.gr (c) 2001

9 Εντολές μεταβλητού μήκους: 1-17 bytes 80x86 1-54 bytes VAX, IBM
Γιατί?? Ιnstruction Memory ακριβή, οικονομία χώρου!!!! Εμείς στο μάθημα: register-register ISA! (load- store) Οι καταχωρητές είναι γρηγορότεροι από τη μνήμη Μειώνεται η κίνηση με μνήμη Δυνατότητα να υποστηριχθεί σταθερό μήκος εντολών (τα ορίσματα είναι καταχωρητές, άρα ό αριθμός τους (πχ καταχωρητές) όχι δ/νσεις μνήμης Compilers πιο δύσκολοι!!! cslab.ntua.gr (c) 2001

10 Βασικές Αρχές Σχεδίασης (patterson-hennessy COD2e)
Η ομοιομορφία των λειτουργιών συμβάλλει στην απλότητα του υλικού (Simplicity favors Regularity) Όσο μικρότερο τόσο ταχύτερο! (smaller is faster) H καλή σχεδίαση απαιτεί σημαντικούς συμβιβασμούς (Good design demands good compromises) Γενικότητες? Θα τα δούμε στη συνέχεια...... cslab.ntua.gr (c) 2001

11 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 cslab.ntua.gr (c) 2001

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

13 2η αρχή: Όσο μικρότερο τόσο ταχύτερο!
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 Memory [0] 32 bits Memory [4] Memory [8] Memory [12] Μνήμη οργανωμένη σε bytes: (Κάθε byte και ξεχωριστή δνση) 230 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 cslab.ntua.gr (c) 2001

14 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 BIG_ENDIAN LITTLE_ENDIAN 8 bits A[0] LSB 1 2 3 MSB A[1] 4 5 6 7 A[2] 8 9 10 11 A[0] MSB 1 2 3 LSB A[1] 4 5 6 7 A[2] 8 9 10 11 cslab.ntua.gr (c) 2001

15 MIPS ISA (βασικές εντολές)
Αριθμητικές εντολές add, sub: πάντα τρία ορίσματα - ποτέ δνση μνήμης! add $s1, $s2, $s3 # $s1 = $s2+$s3 sub $s1, $s2, $s3 # $s1 = $s2-$s3 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) cslab.ntua.gr (c) 2001

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

18 Λειτουργίες υλικού υπολογιστών
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

19 Λειτουργίες υλικού υπολογιστών
Κατηγορία Εντολή Παράδειγμα Σημασία Σχόλια Αριθμητικές Πράξεις add add a, b, c a = b + c Πάντα 3 τελεστέοι subtract sub a, b, c a = b - c

20 Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών
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

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

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

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

24 Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών
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 offset base register

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

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

27 Τελεστέοι Υλικού Υπολογιστών
Τελεστέοι MIPS 32 καταχωρητές $s0, $s1, ... 230 θέσεις λέξεων στη μνήμη 232 θέσεις byte στη μνήμη

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

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

30 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 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
Συμβολική αναπαράσταση: add $t0, $s1, $s2 Πώς την καταλαβαίνει ο MIPS? Assembly $s1 $s2 $t0 unused 17 18 8 32 add Κώδικας μηχανής 000000 10001 10010 01000 00000 10000 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit

32 Μορφή Εντολής - Instruction Format
Θυμηθείτε το 1ο κανόνα: Η ομοιομορφία των λειτουργιών συμβάλλει στην απλότητα του υλικού R-Type (register type) op rs rt rd shamt funct 6 bits 5bits 6bits Op: opcode rs,rt: register source operands Rd: register destination operand Shamt: shift amount Funct: op specific (function code) add $rd, $rs, $rt cslab.ntua.gr (c) 2001

33 MIPS R-Type (ALU) Παραδείγματα :
OP rs rt rd shamt funct 6 bits bits bits bits bits bits Παραδείγματα : add $1,$2,$3 and $1,$2,$3 sub $1,$2,$3 or $1,$2,$3 Destination register in rd Operand register in rt Operand register in rs cslab.ntua.gr (c) 2001

34 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
op rs rt rd shamt funct 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 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 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: op rs rt address_offset 6 bits 5 bits 16 bits lw $rt, address_offset($rs) Τα 3 πρώτα πεδία (op,rs, rt) έχουν το ίδιο όνομα και μέγεθος όπως και πριν cslab.ntua.gr (c) 2001

36 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
Παράδειγμα: lw $t0, 32($s3) Kαταχωρητές (σκονάκι ) $s0, ..., $s7 αντιστοιχίζονται στους 16 ως 23 $t0, ..., $t7 αντιστοιχίζονται στους 8 ως 15 I-format op rs rt σταθερά ή διεύθυνση 6 bit 5 bit 5 bit 16 bit xxxxxx 19 8 32

37 Αριθμός καταχωρητών γενικού σκοπού
Επεξεργαστής Αριθμός καταχωρητών γενικού σκοπού Αρχιτεκτονική Έτος EDSAC 1 accumulator 1949 IBM 701 1953 CDC 6600 8 load-store 1963 IBM 360 16 register-memory 1964 DEC PDP-8 1965 DEC PDP-11 Register-memory 1970 Intel 8008 1972 Motorola 6800 2 1974 DEC VAX register-memory, memory-memory 1977 Intel 8086 extended accumulator 1978 Motorola 68000 1980 Intel 80386 1985 MIPS 32 HP PA-RISC 1986 SPARC 1987 PowerPC 1992 DEC Alpha

38 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? 1 2-3 4-7 8-15 16-23 24-25 26-27 28 29 30 31 $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 cslab.ntua.gr (c) 2001

39 MIPS I-Type : Load/Store
OP rs rt address 6 bits bits bits bits 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) base register in rs Offset source register in rt base register in rs Destination register in rt Offset cslab.ntua.gr (c) 2001

40 MIPS ALU I-Type Παραδείγματα :
Οι I-Type εντολές της ALU χρησιμοποιούν 2 καταχωρητές και μία σταθερή τιμή I-Type είναι και οι εντολές Loads/stores, conditional branches. OP rs rt immediate 6 bits bits bits bits immediate: Constant second operand for ALU instruction. Παραδείγματα : add immediate: addi $1,$2,100 and immediate andi $1,$2,10 Constant operand in immediate Result register in rt Source operand register in rs cslab.ntua.gr (c) 2001

41 MIPS data transfer instructions Παραδείγματα
Instruction Σχόλια sw 500($4), $3 Store word sh 502($2), $3 Store half sb 41($3), $2 Store 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, 40 Load Upper Immediate (16 bits shifted left by 16) 0000 … 0000 LUI R5 R5 cslab.ntua.gr (c) 2001

42 How about larger constants?
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, filled with zeros Then must get the lower order bits right, i.e., ori $t0, $t0, ori

43 Topics to Review Memory layout Procedure conventions
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 Overview Data types MIPS data types Support for bytes and strings
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 Data Types Applications / HLL Hardware support 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 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 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 Byte Instructions lb $s1, 4($s0) 0x10000000 0xFFFFFFAA lbu $s1, 2($s0)
Address Memory Bytes 0x $s0: 0x $s1: 0xFFFFFFAA lbu $s1, 2($s0) $s0: 0x $s1: 0x AA

49 String Manipulation C convention:
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 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, 4 8 4 29 101011 10011 01000

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

52 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 Data Addressing Modes Register addressing Base 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, (signed 16-bit integer)

54 Addressing * 4 * 4 cslab@ntua 2010-2011 1 . I m m e d i a t e a d d r
o p r s r t I m m e d i a t e 2 . R e g i s t e r a d d r e s s i n g o p r s r t r d . . . f u n c t R e g i s t e r s R e g i s t e r 3 . B a s e a d d r e s s i n g o p r s r t A d d r e s s M e m o r y R e g i s t e r + B y t e H a l f w o r d W o r d 4 . P C - r e l a t i v e a d d r e s s i n g o p r s r t A d d r e s s * 4 M e m o r y P C + W o r d 5 . P s e u d o d i r e c t a d d r e s s i n g o p A d d r e s s * 4 M e m o r y P C W o r d

55 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, (0x ) Pseudodirect addressing (jumps) Address: PC[31:28] : (constant in the instruction) * 4

56 SPIM Code PC MIPS machine code Pseudo MIPS
add $9, $10, $ (0x014b4820) main: add $t1, $t2, $t3 j x [exit] (0x ) j exit addi $9, $10, (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, (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 x [main] (0x ) j main add $9, $10, $ (0x014b4820) exit: add $t1, $t2, $t3 main [0x ] [0x ] [0x ] [0x c] [0x ] [0x ] [0x ] [0x c] [0x ] [0x ] [0x ] exit

57 Far Target Address Text Segment (252MB) PC beq $s0, $s1, L1
(0x07fe0000) -217 PC (0x ) beq $s0, $s1, L1 +217 (0x ) bne $s0, $s1, L2 j L1 L2: (0x ) L1: 0x

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

59 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 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 == (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 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 = &y illegal!!!!! array name is not a variable p: 4 z[1] 2 3 z[0] y: 2 x: 2 1

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

63 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 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 Lifetime of Storage and Scope
Code 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 Static Heap Stack

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

67 Version 1 C calling convention means:
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 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, # 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,$t # $t1=a[i] + b[i] sw $t1, 0($a2) # c[i]=a[i] + b[i] addi $a0,$a0, # $a0++ addi $a1,$a1, # $a1++ addi $a2,$a2, # $a2++ j Loop Exit: jr $ra

69 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, # ptr for c addi $v0,$t3, # $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, # $a addi $a1,$a1, # $a addi $t3,$t3, # $t j Loop Exit: addi $sp,$sp, 400 # pop stack jr $ra $sp c[100] a[100] B[100]

70 Version 3 Code Static Heap Not reused unless freed Stack c[100]
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; } Code Static c[100] Heap Not reused unless freed Can lead to memory leaks Java, Scheme have garbage collectors to reclaim free space Stack

71 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 jal malloc 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 ) j Loop Exit:lw $ra, 0($sp) # restore $ra addi $sp, $sp, 12 # pop stack jr $ra

72 Version 4 Code Static Heap
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; } Code Static c[100] Heap Compiler allocates once for function, space is reused Will be changed next time sumarray invoked Why describe? used in C libraries Stack

73 Review

74 Review

75 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 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
εντολή μορφή op rs rt rd shamt funct address add R reg 32ten δ.ε. sub 34ten addi I 8ten σταθ. lw 35ten διευθ. sw 43ten

77 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
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)

78 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
Παράδειγμα (συνέχεια): lw $t0, 1200($t1) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 1200($t1) Κώδικας Μηχανής? op rs rt rd shamt funct 35 9 8 1200 18 32 43

79 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
Παράδειγμα (συνέχεια): op rs rt rd shamt funct 35 9 8 1200 18 32 43 op rs rt rd shamt funct 100011 01001 01000 000000 10010 8 32 101011

80 Αναπαράσταση Εντολών στον Υπολογιστή
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.

81 Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις)
Τελεστές C Εντολές MIPS Shift left << Sll (shift left logical) Shift right >> Srl (shift right logical) AND & and, andi OR | or, ori NOT ~ nor

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

83 Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις)
SHIFT sll $t2, $s0, 4 Kαταχωρητές (σκονάκι ) $s0, ..., $s7 αντιστοιχίζονται στους 16 ως 23 $t0, ..., $t7 αντιστοιχίζονται στους 8 ως 15 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit op rs rt rd shamt funct 16 10 4 000000 00000 10000 01010 00100 sll: opcode=0, funct=0

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

85 Λογικές Λειτουργίες (Πράξεις)
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:

86 MIPS Arithmetic Instructions Παραδείγματα
add add $1,$2,$3 $1 = $2 + $3 3 operands; exception possible subtract sub $1,$2,$3 $1 = $2 – $ operands; exception possible add immediate addi $1,$2, $1 = $ constant; exception possible add unsigned addu $1,$2,$3 $1 = $2 + $3 3 operands; no exceptions subtract unsigned subu $1,$2,$3 $1 = $2 – $3 3 operands; no exceptions add imm. unsign. addiu $1,$2, $1 = $ constant; no exceptions multiply mult $2,$3 Hi, Lo = $2 x $3 64-bit signed product multiply unsigned multu$2,$3 Hi, Lo = $2 x $3 64-bit unsigned product divide div $2,$ Lo = $2 ÷ $3, Lo = quotient, Hi = remainder Hi = $2 mod $3 divide unsigned divu $2,$3 Lo = $2 ÷ $3, Unsigned quotient & remainder Move from Hi mfhi $ $1 = Hi Used to get copy of Hi Move from Lo mflo $1 $1 = Lo Used to get copy of Lo cslab.ntua.gr (c) 2001

87 MIPS Logic/Shift Instructions Παραδείγματα
and and $1,$2,$3 $1 = $2 & $3 3 reg. operands; Logical AND or or $1,$2,$3 $1 = $2 | $3 3 reg. operands; Logical OR xor xor $1,$2,$3 $1 = $2 $3 3 reg. operands; Logical XOR nor nor $1,$2,$3 $1 = ~($2 |$3) 3 reg. operands; Logical NOR and immediate andi $1,$2,10 $1 = $2 & 10 Logical AND reg, constant or immediate ori $1,$2,10 $1 = $2 | 10 Logical OR reg, constant xor immediate xori $1, $2,10 $1 = ~$2 &~10 Logical XOR reg, constant shift left logical sll $1,$2,10 $1 = $2 << 10 Shift left by constant shift right logical srl $1,$2,10 $1 = $2 >> 10 Shift right by constant shift right arithm. sra $1,$2,10 $1 = $2 >> 10 Shift right (sign extend) shift left logical sllv $1,$2,$3 $1 = $2 << $3 Shift left by variable shift right logical srlv $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 cslab.ntua.gr (c) 2001

88 Εντολές Λήψης Αποφάσεων
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

89 Εντολές Λήψης Αποφάσεων
Παράδειγμα: if(i == j) f = g + h; else f = g – h; με f, g, h, i, j αντιστοιχούνται σε $s0, ..., $s4 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 Εντολές Λήψης Αποφάσεων
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:

91 Εντολές Λήψης Αποφάσεων
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.

92 MIPS Branch, Compare, Jump Παραδείγματα
Instruction Παράδειγμα Έννοια branch on equal beq $1,$2,100 if ($1 == $2) go to PC Equal test; PC relative branch branch on not eq. bne $1,$2,100 if ($1!= $2) go to PC Not equal test; PC relative branch set on less than slt $1,$2,$3 if ($2 < $3) $1=1; else $1=0 Compare less than; 2’s comp. set less than imm. slti $1,$2,100 if ($2 < 100) $1=1; else $1= Compare < constant; 2’s comp. set less than uns. sltu $1,$2,$3 if ($2 < $3) $1=1; else $1=0 Compare less than; natural numbers set l. t. imm. uns. sltiu $1,$2,100 if ($2 < 100) $1=1; else $1= Compare < constant; natural numbers jump j go to Jump to target address jump register jr $31 go to $ For switch, procedure return jump and link jal $31 = PC + 4; go to For procedure call cslab.ntua.gr (c) 2001

93 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 jr $t1 # goto $t1 είναι I –Type εντολές slt $t0, $s3, $s4 #set $t0 to 1 if $s3 is less than $s4;else set $t0 to 0 Όμως: j L1 # goto L1 Πόσο μεγάλο είναι το μήκος του address L1; Πόσο «μεγάλο» μπορεί να είναι το άλμα; cslab.ntua.gr (c) 2001

94 MIPS Branch I-Type Παραδείγματα :
OP rs rt address 6 bits bits bits bits 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,$2,100 Final offset is calculated in bytes, equals to {instruction field address} x 4, e.g. new PC = PC + 400 Register in rt Register in rs cslab.ntua.gr (c) 2001

95 MIPS J-Type Παραδείγματα : J-Type: jump j, jump and link jal
OP jump target 6 bits bits jump target: jump memory address in words. Παραδείγματα : Branch on equal j Branch on not equal jal final jump memory address in bytes is calculated from {jump target} x 4 cslab.ntua.gr (c) 2001

96 Other Jump Instructions
Jump (J-type): j # jump to address 10000 Jump Register (NB: R-type!): jr rs # jump to 32 bit address in register rs Jump and Link (J-type): jal # 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 Summary of MIPS instruction formats
R-type (add, sub, slt, jr) I-type (beq, bne + addi, lui + lw, sw) J-type (j, jal) op rs rt rd shamt funct 6 bits bits bits bits bits bits op rs rt immediate value / address offset 6 bits bits bits bits op jump target address 6 bits bits

98 Όμοια: slti $t0,$s2, 10 # $t0=1 if $s2<10
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 cslab.ntua.gr (c) 2001

99 Τρόποι Διευθυνσιοδότησης στον MIPS:
Register Addressing Base or Displacement Addressing Immediate Addressing PC-relative addressing (address is the sum of the PC and a constant in the instruction) Pseudodirect addressing (the jump address is the 26 bits of the instruction, concatenated with the upper bits of the PC) cslab.ntua.gr (c) 2001

100 bne $rs,$rt,address # goto {4 x address (0:15)}
addi $rt,$rs,immediate π.χ. lui $t0, 255 slti $t0, $s1, 10 I-Type R-Type add $rd,$rs,$rt π.χ. add $t0,$s1,$s2 I-Type lw $rt,address($rs) π.χ. lw $t1,100($s2) I-Type bne $rs,$rt,address # goto {4 x address (0:15)} π.χ. bne $s0,$s1,L2 J-Type j address # goto {4 x address(0:25)}(0:27)-(28:31)(PC) cslab.ntua.gr (c) 2001

101 Addressing Modes : Παραδείγματα
Addr. mode Παράδειγμα Έννοια χρήση Register add r4,r3 Regs[r4]← Regs[r4]+ Regs[r3] a value is in register Immediate add r4,#3 Regs[r4]← Regs[r4]+3 for constants Displacement add r4,100(r1) Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[100+ Regs[r1]] local variables Reg. indirect add r4,(r1) Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[Regs[r1]] accessing using a pointer or comp. address Indexed add r4,(r1+r2) Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[Regs[r1]+ Regs[r2]] array addressing (base +offset) Direct add r4,(1001) Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[1001] addr. static data Mem. Indirect add Regs[r4]← Regs[r4]+Mem[Mem[Regs[r3]]] if R3 keeps the address of a pointer p, this yields *p Autoincrement add 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 Autodecrement add r4,-(r3) Regs[r3]← Regs[r3]-d similar as previous Scaled add r4,100(r2)[r3] Regs[r4]← Regs[r4]+ Mem[100+Regs[r2]+Regs[r3]*d] to index arrays cslab.ntua.gr (c) 2001