6 MMIX-Prozessor. 6.1 Programmiermodell. S.219 alles wichtig. 6.2 Register. Allzweckregister

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1 6 MMIXProzessor Modell eines Prozessors (keine LegacyEffekte) RegisterRegister Architektur mit 256 Allzweck Register und 32 Spezialregister Wortbreite der Register, des Rechenwerks, der Daten und AdressBusse: 64bit Befehlssatz von 256 Befehlen je 32bit Länge Der Adressbereich des virtuellen Arbeitsspeichers umfasst 2 64 Byte Ausführungszeit der meisten Befehle 1 Takt Ox Byte 6.1 Programmiermodell IT S.219 alles wichtig 6.2 Register Allzweckregister Um Daten zu speichern, haben keine spezielle Funktion 256 Stück durchnummeriert von $0 bis $255 Es gibt globale, marginale und lokale Register Spezialregister rg enthält die Nummer des ersten besetzten globalen Registers, rl enhätl die Nummer des ersten freien lokalen Registers O 1 = u

2 Spezialregister Der MMIX Prozessor hat 32 Spezialregister: ra, rb bis rz und zusätzlich rbb, rtt, rww, rxx, ryy, rzz Jeder Spezialregister hat einen bestimmten Nutzen wie die Konfiguration der Hardware, Interrupts oder der Bereitstellung von Hardwareinformationen (siehe ra als Beispiel S. 221) 6.3 Speicher Byteadressierter Speicher: kleinstes adressierbares Datenelement ist ein Byte Speichern und Laden wird in den Wortbreiten 1 Byte, 2 Byte (Wyde), 4 Byte (Tetra) und 8 Byte (Octa) unterstützt Alignment Ausrichtung der Daten im Speicher Beim Auslesen von Daten aus dem Speicher gibt es einige hardwarebedingte Limitierungen, um diese Limitierungen zu verstehen, schauen wir uns an wie ein Lesezugriff auf ein Byte, Wyde, Tetra, Octa funktioniert (S.225): a oooo " ".:: X Fontane : gtfo Yum D.h. hardwarebedingt bekommen wir bspw beim Auslesen eines Wydes nur die Daten aus den folgenden Speicherchipkombinationen (0,1), (2,3), (4,5), (6,7). Beim Auslesen eines Tetras bekommen wir nur die Daten aus den Speicherchipkombinationen (0,1,2,3) und (4,5,6,7) Da wir möglichst durch einen Ladezugriff alle Daten erhalten wollen, alignen wir beim Abspeichern die Wydes, Tetras und Octas folgendermaßen:

3 Big und Little Endian Zwei Arten wie man Datenworte, die größer als 1 Byte sind abspeichern kann Der MMIX Prozessor verwendet BigEndian I Speicherorganisation MMIX hat eine Adressbreite von 64 bit, d.h Bytes von 0x bis 0xFFFF FFFF FFFF FFFF können adressiert werden. Der Speicher wird folgendermaßen aufgeteilt:

4 , E $ Text Segment: Programme und InterruptVektoren enthält ab Speicheradresse 0x100 MMIX Programme, d.h. viele 32 bit Befehlsworte Die genaue Anfangsadresse des Programms ist in der Symboltabelle der Objektdatei *.mmo festgelegt Die Objektdatei entsteht nach dem übersetzen des MMIX Assemblercodes und kann von einem Computer mit MMIX Prozessor in Simulation ausgeführt werden. Die Objektdatei enthält das ganze Programm in Maschinencode, die Befehlsworte, Informationen über die Vorbelegung des Speichers und die Symboltabelle Der Loader (Teil des Betriebssytems) kopiert E das auszuführende Programm aus der Objektdatei in den Speicher Die Symboltabelle besteht aus Name, Adresse Paaren, sodass Einsprungadressen von Modulen, Funktionen, Blöcken gefunden werden können Interrupts: bei der Ausführung (d.h. zur Laufzeit) eines Programms auftretende Programm Unterbrechungen. Bspw. Division durch Null, Speicherzugriffsfehler.

5 InterruptServiceRoutinen: Funktion/Programm, das aufgerufen wird sobald ein Interrupt geschieht. Das gerade ausgeführte Programm wird vom Betriebssystem gestoppt, um erst die ISR zu erledigen. InterruptVektoren: Enthalten die Adressen der ausführenden ISR direkt oder indirekt oder die InterruptVektoren enthalten die ISR Befehlsworte selbst. Manche Interrupts haben eigene InterruptVektoren, andere Interrupts werden in einen InterruptVektor zusammengefasst. Beim MMIX enthalten die InterruptVektoren bereits die ISRs. Daten Segment # = Enthält globale, statische und zur Laufzeit allozierte Daten, die auf dem Heap ab 0x abgelegt werden Enthält lokale Daten die ab der Adresse 0x3FFFFFFFFFFFFFFF Richtung kleiner werdenden Adressen angelegt werden Pool Segment Dient der Kommunikation von Betriebssystem und dem Programm. Bspw. Übergabe von Programm Aufruf Parametern Stack Segment Irrelevant Betriebssytem Segment Enthält das Betriebssystem Virtueller Speicher Die Speicheradressen, auf die ein Programm zugreift entsprechen nicht den realen physikalischen Speicheradressen, sondern werden vom Betriebsystem dem auszuführenden Programm vorgegaukelt. So enhält jedes Programm seinen eigenen Arbeitsspeicher. Die wahre Speicherzuteilung wird vom Betriebssystem übernommen. So kann z.b. ein Programm ein 2 64 bit Adressraum vorgegaukelt werden (mehrere Exabyte), obwohl nur 8 Gigabyte RAM zur Verfügung stehen. 6.4 MMIX Programme MMIX Programme sind Quelltextdateien die Befehle für den MMIX Prozessor (Befehlssatz Befehle), für den Loader (lädt das Programm in den Arbeitsspeicher) und für den Assemblierer selbst enthält. Wenn das Programm ausgeführt wird passieren grob folgende Dinge: 1. Assemblierer wandelt Quelltext in Maschinencode um (Namen müssen vorerst aufgelöst werden) 2. Loader lädt den Maschinencode (wie im Quelltext angegeben) in den Arbeitsspeicher

6 3. Der Maschinencode im Textsegment wird vom Prozessor ausgeführt Syntax Markenspalte: Bis auf Main optional. Zur Benamung von Speicherstellen. Dienen dem Programmierer als Programmierhilfe. Befehlsspalte: Enthält das Befehl für den Prozessor, Loader oder Assemblierer. Operandenspalte: Meist zu verarbeitende Daten. Kommentarspalte: Programmierhilfe. Für weitere Syntaxinfo: S.243 Assembler und Loader Befehle IS Befehl: Assemblierer Befehl, um Allzweckregister durch Namen ansprechbar zu machen. Name IS Register Der Befehl sagt dem Assemblierer, dass er vor der Übersetzung des Quelltextes in Maschinencode überall im Quellcode erst die Namen in die entsprechenden Register umwandelt. GREG Befehl (G für Global, REG für Register): LoaderBefehl. Reserviert das nächste freie globale Register (Spezialregister rg wird um 1 verringert) und initialisiert dieses Register mit dem Wert, der als Parameter gegeben ist. Name GREG Wert Der LOC Befehl: Loader Befehl. Mit LOC kann die Adresse, an dem der Loader anfangen soll Befehlscode für den Prozessor zu schreiben angegeben werden (häufig LOC #100 für Befehlssatz Befehle und LOC DataSegment für vor Programmbeginn festgelegte Variablen)

7 LOC Adresse BYTE, WYDE, TETRA, OCTA Befehle: Loader Befehle. Die Befehle sagen dem Loader, dass er bei der aktuellen (durch LOC angegeben, meist im DataSegment) Speicher allozieren und bei gegebenem Parameter auch initialisieren soll. Die aktuelle Adresse wird bei Verwendung dieser Befehle automatisch erhöht. Name Befehl Wert Übersetzungsprozess 1. Ihr schreibt eine Quelldatei mit nem Texteditor und speichert sie mit der Endung.mms 2. Ihr nutzt den Befehl mmixal *.mms (im Terminal). Der Assemblierer löst Namen und Marken auf und keiert eine Symboltabelle für den Loader. Dann übersetzt der Assemblierer euren Code in Maschinencode, in eine *.mmo Datei (eine Objektdatei). 3. Mit dem Befehl mmix i *.mmo (im Terminal) könnt ihr euer Programm vom Prozessor im Simulator ausführen lassen.

8 Befehlsworte für den MMIX Prozessor OP enthält den OP Code, d.h. das was der Prozessor mit den Daten tun soll ADD, SUB, LDO, STO sind OP Codes X,Y,Z sind entweder Register oder Direktoperanden (Zahlen). Y und Z sind häufig Quellregister und X das Register, wo das Ergebnis reingeschrieben wird. MMIX Opcodes Maschinencode Tabelle

9 Übersetzen eines Opcodes in das Binärwort: 1. Schaut in welcher Zeile das Binärwort steht um die ersten 4 bit zu finden (e.g. SR[I] ist in Zeile 0x3 ) 2. Schaut ob der Opcode in der Zeile oben oder unten ist (e.g. SR[I] ist in der unteren Zeile von 0x3..). Wenn der Opcode in der Zeile oben ist, kommen die in der Tabelle ganz oben geschriebenen Nibble (4bit Binärwort) in Frage. Wenn der Opcode in der Zeile unten ist, kommen die in der Tabelle ganz unten schriebenen Nibble in Frage (e.g. SR[I] ist in der unteren Hälfte, daher kommen 0x...C und 0x...D in Frage) 3. Opcodes mit einem [I] können mit Direkoperanden verwendet werden. Falls ihr den Befehl mit Direktoperanden wählt, nehmt ihr die rechte Endung, falls nicht nehmt ihr die linke Endung. Opcodes mit einem [B] sind Befehle bei denen gesprungen wird. Bei einem Vorwärtssprung (zu einer größeren Adresse) wird die linke Endung genommen, bei einem Rückwärtssprung wird die rechte Endung genommen. ν, µ und π sagen was über die Ausführungsdauer des Befehls aus (mehr Info S. 257) 6.5 MMIX Befehlen

10 Auf den Seiten 260 bis 263 sind eine Menge Definitionen. Wozu die Definitionen sind wird in den Aufgaben später klar. Einmal drüber lesen reicht und später bei Unverständnis nachschlagen. Bei den folgenden Befehlen ist es wichtig, dass ihr die Beschreibung (siehe Bild) verstehen könnt. Von Vorteil ist es, wenn ihr die wichtigsten Befehle auswendig könnt. RegisterRegisterBefehle MMIXBefehle für den Prozessor bei dem die Quelloperanden Y,Z sowie das Zieloperand X Allzweckregister sind. Die RegisterRegisterBefehle im Skript werden unterteilt in: Arithmetische Befehle auf Festkommazahlen (ADD, SUB, NEG, MUL, DIV..) Direkoperand in Register schreiben (SETL, SET..) Umwandlung Gleitkommazahl Festkommazahl (FLOT, FIX..) Arithmetische Befehle auf Gleitkommazahlen (FADD, FSUB..) Schiebe Befehle (SL, SLU, SR..) Logische Operationen auf BitEbene (AND, OR, XOR..) RegisterSpeicherBefehle Hier wird klar, warum wir häufig in Programmen das Befehl GREG benutzen, um eine Adresse in ein globales Register abzulegen. Das globale Register dient als Basisregister, um aus dem Speicher laden oder in den Speicher schreiben zu können. Daten vom Speicher in ein Register laden (e.g. LDO, LDB) Daten vom Register in den Speicher schreiben (speichern) (e.g. STB, STO) Adressen in ein Register laden (LDA, GETA) Zugriff auf Spezialregister (GET, PUT) Um Spezialregister in Allzweckregister laden zu können und um in Spezialregister schreiben zu können. Verzweigungsbefehle (JMP, BZ, BNN..) Um if, else statements im Programm zu realisieren. Befehle for Funktionsaufrufe (GO) Namensräume der PREFIX Befehl

11 ein Assembler Befehl Ist eine Programmierhilfe. Wenn ihr vor eure einzelnen Funktionen ein PREFIX <<Name:>> Befehl schreibt und nach eurer Funktion den Namenraum wieder mit PREFIX : beendet, braucht ihr beim Schreiben eurer einzelnen Funktionen keine Sorgen machen, dass ihr ausversehen einen bereits in einer anderen Funktion verwendeten Namen benutzt. Funktionsaufrufe Wozu verwenden wir Funktionen beim Programmieren? Man kann einer Funktion, die bspw die Mitternachtsformel implementiert, verschiedene Eingänge a,b,c übergeben und die Funktion errechnet den jeweils passenden Ouput, die Nullstellen. Bessere Codestruktur! Der Code ist leserlicher, man kommt nicht so einfach durcheinander. Weniger Code! Funktionen werden häufig mehr als nur einmal aufgerufen. Einfachere CodeMaintenance. WertÜbergabe und ReferenzÜbergabe Definition: Der Funktionsaufrufer ist nichts anderes als die Funktion (z.b. Main), die die betrachtete Funktion aufruft.

12 Bei der WertÜbergabe (engl. call by value) wird der Funktion direkt der zu verarbeitende Wert übergeben, z.b. eine Festkommazahl. Bei der ReferenzÜbergabe (engl. call by reference) wird der Funktion die Adresse des zu verarbeitenden Werts übergeben, z.b. die Adresse, an der eine Festkommazahl im Speicher steht. In beiden Fällen wird bei der Parameterübergabe eine lokale Kopie erstellt. Aufrufkonvention eine Motivation Was hat es mit einer Aufrufkonvention auf sich? Wenn ihr eine Hochsprache verwendet und eine Funktion aufruft, ist das einfach. Ihr kümmert euch nicht darum, was der Prozessor genau macht, sondern schreibt einfach so was wie: result = function(param1, param2); Dies muss aber letztendlich in Befehle umgewandelt werden, die der Prozessor versteht. In den folgenden Seiten 308+ lernen wir anhand des MMIX Prozessors, wie ein Funktionsaufruf in Maschinensprache/Assemblercode aussehen kann. Stellt euch vor wir sind mitten in der Main Funktion im MMIX Code und wollen eine Funktion aufrufen, die an einer anderen Adresse im Speicher abgespeichert ist. D.h. wir verwenden den GO Befehl, um zur Funktionsadresse zu springen und gleichzeitig die Rücksprungadresse zu erhalten. Aber wie soll der Funktionsaufrufer (z.b. Main) die Parameter der aufzurufenden Funktion übergeben? Am besten wohl immer an der selben Stelle im Speicher. Immerhin arbeitet die Funktion stupide immer den gleichen Code ab und weiß nichts vom Funktionsaufrufer. Und es muss auch überlegt werden, wo die Rückgabewerte übergeben werden. Um diese Dinge einheitlich zu regeln hat jeder Prozessor eine architekturabhängige Aufrufkonvention. Beim MMIX werden Parameter, Rückgabewerte und lokale Variablen (die unteren Allzweckregister) auf dem Stack (#3FFFFFFFFFFFFFF8 und kleiner) übergeben Für Details siehe ab S.309