Namensräume - der PREFIX-Befehl

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1 65 MMIX Befehle 33 Namensräume - der PREFIX-Befehl Der PREFIX-Befehl ist ein Assembler-Befehl Er wird verwendet um in einem Programm vorkommenden Namen vom Assembler-Präprozessor durch Voranstellen einer Zeichenkette automatisiert ändern zu lassen Dazu wird der PREFIX-Befehl mit der voranzustellenden Zeichenkette als Operand aufgerufen PREFIX Zeichenkette Ab dieser Anweisung setzt der Assembler-Präprozessor vor jeden Namen die angegebene Zeichenkette Hat beispielsweise die Zeichenkette den Wert abc: dann wird ein Name def in abc:def geändert Fügt man vor jede Funktion einen PREFIX-Befehl mit dem Funktionsnamen als Zeichenkette ein erzeugt man automatisch für jede Funktion einen eigenen Namensraum Eine Variable i in der Funktion fkt bekommt dann den (globalen) Namen fkti und eine Variable i in der Funktion fkt2 den Namen fkt2i Auf diese Weise kann der Assembler beide Variable als unterschiedliche Variable erkennen und es kommt zu keinem Konflikt wenn der Assembler beispielsweise i sowohl durch $ ersetzen soll (für die Funktion fkt) als auch durch $2 (für die Funktion fkt2) Um den Funktionsnamen besser vom Variablennamen abgrenzen zu können bietet es sich an an die Prefix-Zeichenkette noch ein markantes Zeichen anzuhängen beispielsweise einen Bindestrich oder einen Doppelpunkt Um einen Namensraum zu beenden dh um den Assembler-Präprozessor anzuweisen vorkommenden Namen die Zeichenkette nicht mehr voranzustellen wird der PREFIX- Befehl mit einem Doppelpunkt als Operand aufgerufen PREFIX : Will man innerhalb eines Namensraums verhindern dass der Assembler-Präprozessor einen Namen ändert schreibt man vor den betreffenden Namen einen Doppelpunkt zb :def statt def Auf diese Weise kann man auf globale Namen wie zb den Stackpointer SP zugreifen a) Geben Sie die Anweisung an mit denen Sie den Namensraum Main: eröffnen und in diesem Namensraum die globale Marke Main definieren

2 34 6 MMIX-Prozessor b) Wie kann man einen Namensraum beenden dh wie kann man den Assembler anweisen Marken/Namen nicht mehr umzuwandeln? c) Wie kann man innerhalb eines Namensraums verhindern dass der Assembler einer bestimmten Marke bzw einem bestimmten Namen die im PREFIX-Befehl angegebene Zeichenkette voranstellt? T d) Wozu dient der PREFIX-Befehl? T e) Welche Auswirkung hat der Befehl PREFIX mein_prefix auf darauf folgende MMIX- Anweisungen?

3 65 MMIX Befehle 35 T f) Geben Sie die Anweisungen an mit denen Sie den Namensraum Fkt: eröffnen und die globale Marke Fkt anlegen : Fht Prefix Fkt : Funktionsaufrufe Mit Funktionen werden logisch zusammengehörige Befehle zur Bereitstellung einer Gesamt-Funktionalität zusammengefasst und durch Funktionsaufrufe von beliebigen Stellen im Programm abrufbar Durch diese Struktur gebende Maßnahme werden Programme übersichtlicher und kürzer: Übersichtlicher da der Programm-Code die Zerlegung eines großen Problems in kleinere Probleme durch Funktionsaufrufe widerspiegelt und kürzer da eine Funktionalität (viele Befehle) nur einmal aus Befehlen zusammengesetzt werden muss und durch Sprünge in die Funktion (wenige Befehle) beliebig oft verwendet werden kann Beispiel: -Adresse von Personen aus einer csv-datei (csv = comma separated values = Werte durch Komma getrennt) extrahieren und jeder Person ein schreiben: Aufruf einer Funktion welche den Namen der csv-datei als Parameter übergeben bekommt und den Inhalt der Datei in den String s einliest Aufruf einer Funktion welche den String s sowie das Zeichen \n als Parameter übergeben bekommt den String an den Zeichen \n in Teil-Stings s s 2 auftrennt und als Ergebnis ein Array von Zeigern auf die Teil-Strings zurückliefert Für jeden Teilstring s i : Aufruf einer Funktion welche den String s i und das Komma-Zeichen als Parameter übergeben bekommt den String an den Kommas in Teilstrings s ij auftrennt und als Ergebnis ein Array von Zeigern auf die Teil-Strings zurückliefert Auswahl des Teil-Strings s ij in dem die -Adresse gespeichert ist Für jede -Adresse s ij : Aufruf einer Funktion die als Parameter die - Adresse und den -Text bekommt und den -Text an die angegebene -Adresse verschickt

4 Staehpyoiter 65 MMIX Befehle 32 T i) Was ist der Stack? Der Stach ist in Bacich in Arbetsspeicher der lek Pngrammdaten Variable lek adressen a Rich sprung wie : Mda Arbetsspeicher gesiderk Res T j) Wo beginnt der Stack und in welche Richtung wächst er? eutha T k) Was ist der Stack-Pointer? T l) Wie werden Daten adressiert die auf dem Stack liegen? Stade - Pointer Die Paton Werder inner adressiat ciber der I die ein Offset addict wind Basis adresse auf

5 322 6 MMIX-Prozessor T m) Welche Operationen muss man ausführen um die Werte zweier Register (acht Byte breite Datenworte) auf dem Stack abzulegen? " wig ] negative : Befell inspspeidn 2 Spt T n) Wie wird der Stack bei Funktionsaufrufen verwendet? ers

6 - 65 MMIX Befehle 323 T o) Geben Sie den Befehl an mit dem Sie für den Stack-Pointer ein globales Register reservieren und dieses mit x4 initialisieren SP GREG # T p) Warum initialisieren wir den Stack-Pointer mit x4 dh mit dem Beginn des Poolsegments und nicht mit dem Ende des Datensegments?? Befell : irsendetwasarf dem Stack sp von der Adresse abttiehen nd down speichn ooiiootoipoerisdegfpyae T q) Geben Sie die MMIX-Befehle an mit denen Sie Register $ und $2 auf den Stack n schreiben und dann die Funktion fkt aufrufen Nehmen Sie an dass Ihr Code im Namensraum Main: steht und fkt im Namensraum Fkt: unter dem Namen :fkt angelegt wurde Sichern Sie die Rücksprungadresse in Register : SUB : SP :SB 2 STO $ :S P Seo $ : SP GO $ : two / : } -

7 MMIX-Prozessor Nehmen Sie an dass Sie eine Funktion im Namensraum Fkt: implementieren T r) Geben Sie die MMIX-Befehle an mit denen Sie die Register 2 und 3 auf den Stack sichern und anschließend zwei acht Byte breite Parameter vom Stack in die Register und 2 einlesen sob :S spu& Dq #jbg # STO $9 STO $ $-2 :SBb $2 2bg#S7$3jSP 5 :sp 29 µ# LDO $ :SP 4 ananetwz 'B5 ST LDO :S T s) Zeichnen Sie wie der Stack nach diesen Operationen aussieht e if FF f ie#sx3kf $- $2(Par 4

8 65 MMIX Befehle 325 T t) Im Hauptprogramm wurden die Parameter in die Register und 2 geschrieben Im Unterprogramm wurden Register und 2 dann auf den Stack gesichert und dann dieselben Werte wieder vom Stack in Register und 2 geladen obwohl sich die Werte von Register und 2 in der Zwischenzeit nicht geändert hatten Warum haben wir und diesen Schritt nicht gespart sondern dieselben Werte die in Registern und 2 waren nochmal reingeschrieben? T u) Warum speichert man die Rücksprungadresse auf dem Stack? T v) Was würde passieren wenn der Stack so groß wird dass er mit den Daten zusammenstößt die am Beginn des Datensegments liegen?

9 ' MMIX-Prozessor T w) Geben Sie die MMIX-Befehle an mit denen Sie den Inhalt von Register 3 als Ergebnis auf dem Stack ablegen dann die Register 2 und 3 wiederherstellen und anschließend zurück zum Funktionsaufrufer springen STO $3 :SP LDO $ :SP LDO $ isp LDO $2 :SP 6 LD $3 Add - SP :SP 5 24 B :SP5b Go $ $9 T x) Nehmen Sie an Sie sind wieder im Hauptprogramm Geben Sie die Befehle an mit denen Sie das Ergebnis der Funktion vom Stack in das Register einlesen LDO $ :sp ADD :SP isp - T y) Warum muss der Stack-Pointer angepasst werden nachdem das Ergebnis vom Stack geladen wurde?

10 334 7 Pipelining 7 Pipelining-Datenpfad Nachfolgende Abbildung zeigt einen Pipelining-Datenpfad Sp-Puls 4 BZ Add Adresse Befehls- Speicher Daten Clk BR Reg-Schreiben Ergebnisauswahl ES Sp-Schreiben Reg-Puls Zugriffs-Art 2 SP Steuerung ALU-Funktion 243 Direktoperand AF 32 X-Auswahl Schreib- Daten $X Lese- 623 Daten $X $X 32 Schreiben/ Lese- Lesen $X Daten $Y $Y 5 Lesen $Y 32 7 Lesen $Z Registerblock Schreiben Clk2 Lese- Daten $Z $Z Dir Op Clk3 ALU ES SP $X Erg ALU 2 Zugriffs- Art Schreib- Daten Adr Clk4 Daten- Speicher Schreiben Lese- Daten ES Lese Dat Erg ALU X X X Befehlsspeicher Allzweck-Registerblock (Operanden bereitstellen) ALU Datenspeicher und der Übergang ALU/Datenspeicher! Allzweck-Registerblock (Ergebnis/Lesewort in Register ablegen) sind durch sog Pipelining-Register voneinander getrennt Gleichzeitig teilen die Pipelining-Register den Datenpfad in Stufen auch Phasen genannt ein Bei dem gezeigten Datenpfad sind es fünf Stufen/Phasen: Befehl holen (BH; Befehls-Speicher) Befehl decodieren und Operanden bereitstellen (BD; Allzweck-Registerblock und Steuerung) Befehl ausführen (AF; ALU) Speicherzugriff (SP; Datenspeicher) und Ergebnis schreiben (ES; Allzweck-Registerblock) Durch dieses Vorgehen können die von den einzelnen Komponenten bereitgestellten Datenworte sofort in den Pipelining-Registern zwischengepuffert werden Damit werden die Komponenten frei und können sofort von nachfolgenden Befehlen genutzt werden Dadruch verringert sich zwar nicht die Auführungszeit der einzelnen Befehle Der Befehls-

11 ^ 7 Pipelining-Datenpfad 335 Durchsatz des Datenpfads (Anzahl der Befehle die pro Zeiteinheit abgearbeitet werden können) kann bei einer n stufigen Pipeline jedoch bis um den Faktor n gesteigert werden Ein Pipeline-Füll-Diagramm zeigt für verschiedene Zeitpunkte t i an welche Befehle sich gerade in welcher Pipeline-Stufe befinden Gegeben ist folgende MMIX-Befehlssequenz: ADD $$23 SUB $2$2$3 MUL $3$35 DIV $4$44 LDW $5$254 LDO $6$254 OR $7$7#AC AND $$#DC NEG $95 a) Tragen Sie in das nachfolgende Pipeline-Füll-Diagramm die Zuordnung Befehl $ Pipelinestufe für die angegebenen Zeitpunkte 2 9 ein t [clk] BH BD AF SP ES BH BD AF SP BH BD AF SP ES BH BD AF = BH BD AF SP ES BH BD BH BD AF SP ES BH BH BD AF SP ES

12 Pipelining Gegeben ist der folgende Ausschnitt aus einer MMIX Codesequenz: SUB $2$5 Zeile LDO $5$2* Zeile 2 OR $$2$3 Zeile 3 SRU $$5$ Zeile 4 b) Geben Sie alle auftretenden Datenkonflikte an Nehmen Sie dabei an dass der Registerblock ein Datenwort das gerade in ihn hineingeschrieben wird nicht gleichzeitig am Ausgang ausgegeben werden kann Gegeben ist der folgende Ausschnitt aus einer MMIX Codesequenz: ADD $$3 Zeile OR $2$$3 Zeile 2 SRU $$2$ Zeile 3 STO $$254 Zeile 4 T c) Geben Sie alle auftretenden Datenkonflikte an Nehmen Sie dabei an dass der Registerblock ein Datenwort das gerade in ihn hineingeschrieben wird nicht gleichzeitig am Ausgang ausgegeben werden kann 2 A Z anrtmhhnflilt wegn $ Z 2 & 23 w $2 Z wg $ 73 & 74 ws $

13 72 Pipelining-Konflikte 339 Auflösen von Datenkonflikten durch Einfügen von NOP-Befehlen Um in obigem Beispiel sicherzustellen dass der Multiplikations-Befehl den vom Additions-Befehl geänderten Wert verwendet können zwischen Additions-Befehl und dem Multiplikations-Befehl sog NOP-Befehle eingefügt werden NOP steht für no operation und meint Befehle die nichts tun dh keine Zustandsänderung (Änderung von Werten in Registern Speicher) bewirken Beim MMIX wird der NOP-Befehl ( sympathize with your machinery ) genannt a) Geben Sie an mit Sie mit -Befehlen zwischen ADD $$2$3 und MUL $3$2$ dafür sorgen dass der Multiplikations-Befehl den vom Additions-Befehl geänderten Wert aus dem Registerblock ausliest ADD $}$2 $3 Mul $3 $2 $ Sp-Puls 4 BZ Add Adresse Befehls- Speicher Daten Clk Reg-Schreiben Ergebnisauswahl ES Sp-Schreiben Reg-Puls Zugriffs-Art 2 SP Steuerung ALU-Funktion 243 Direktoperand AF 32 X-Auswahl Registerblock Schreiben Clk2 Schreib- Daten $X Lese- 623 Daten $X $X 32 Schreiben/ Lese- BR Lesen $X Daten $Y $Y Lese- $Z 5 Daten $Z Lesen $Y 7 Dir 32 Lesen $Z Op Clk3 ALU ES SP $X Erg ALU 2 Zugriffs- Art Schreib- Daten Adr Clk4 Daten- Speicher Schreiben Lese- Daten ES Lese Dat Erg ALU X X X

14 34 7 Pipelining T b) Geben Sie an wie Sie mit -Befehlen zwischen LDB $$254 und MUL $3$2$ dafür sorgen dass der Multiplikations-Befehl den vom Lade-Befehl geänderten Wert aus dem Registerblock ausliest LDD $ $254 Mol $3 $ } $ Auflösen von Datenkonflikten mittels Befehlsumstellung Datenkonflikte mit NOP-Befehle aufzulösen funktioniert zwar verringert jedoch bei Datenabhängigkeiten den durch Pipelining effektiv erreichbaren Befehls-Durchsatz Unter Umständen können jedoch zwischen der Änderung eines Werts und der nächsten Verwendung des geänderten Werts Befehle eingefügt werden die ohnehin ausgeführt werden müssen und unabhängig vom geänderten Wert sind Betrachten Sie nachfolgende Befehlssequenz ADD $$2$3 MUL $3$2$ SUB $4$5 SRU $5$52 SL $6$32 a) Geben Sie an wie Sie den Code durch Befehlsumstellung schneller ausführbar machen können

15 72 Pipelining-Konflikte 34 Gegeben ist die nachfolgend angegebene Befehlssequenz ADD $$2$3 MUL $2$5$ SUB $4$3 SRU $5$62 T b) Geben Sie an wie Sie den angegebenen Code durch Befehlsumstellung schneller ausführbar machen können als durch ausschließliches Einfügen von NOP- Befehlen A DD $ $2 $3 sub $n $3 SWTM Mule $2 $5 $

16 - 72 Pipelining-Konflikte 345 Nehmen Sie die folgenden Registerwerte an: $ = x $2 = x22 $3 = x33 $254 = x2 T f) Tragen Sie in nachfolgende Abbildung den Inhalt der Pipeline-Register für die unter den Pipeline-Registern angegebenen Befehle ein Geben Sie für alle irrelevanten Einträge X an Nehmen Sie an dass von der ALU-benötigte und noch nicht in den Registerblock geschriebene Ergebnisse über Forwarding-Pfade an das der BD-Phase folgende Pipeline-Register geleitet werden Reg Schr: & Erg Ausw: Sp Schr: Reg Schr: Zugr-Art: X Erg Ausw: ALU: x5 Sp Schr: Reg Schr: Dir Op: Zugr-Art: X Erg Ausw: $X: - $Y: $X: 22 - Lese-Daten: < 7 ADD $3$254 $Z: 26 : Erg ALU: 26 Erg ALU: Dir Op: 2 X: Oxon X: 2 X: Ox ADD $3$254 SUB $$3$2 OR $2$236 AND $3$22 2 o^o qro Bef $Y$Y$Z s )

17 72 Pipelining-Konflikte 347 Gegeben ist die folgende Codesequenz: LDT $3$232 Zeile SUB $2$4 Zeile 2 OR $$2$3 Zeile 3 STO $2$254$ Zeile 4 b) Tragen Sie in nachfolgendes Pipeline-Füll-Diagramm die ausgeführten Befehle sowie die benötigten Forwarding-Pfade ein wenn sie den Strukturkonflikt mit einem Forwarding-Pfad auflösen BH BD AF SP ES BH BD AF SP ES BH BD AF SP ES BH BD AF SP ES T c) Tragen Sie in nachfolgende Tabelle ein wie Sie den Strukturkonflikt mit einem Stall auflösen können LDT SUB OR ES BH BD AF SP ago Essaid STO BABBBD AF

18 35 7 Pipelining T c) Geben Sie MMIX-Befehle an die den nachfolgenden C-Code implementieren Verwenden Sie zur Realisierung der do-while-schleife diejenige Variante des Sprungbefehls der mit höherer Wahrscheinlichkeit die tatsächlich auszuführenden Befehle in die Pipeline lädt C-Code: int a b; a = ; b = ; do { b += (a * b); a--; } while( a >= ); MMIX-Code: Start Set a a Set 6 megs but a AdD 6 but 6 to SUB ga PBNW a Start T d) Um wieviele Takte würde der Code langsamer ausgeführt werden wenn die falsche Variante des Sprungbefehls verwendet werden würde?