4. TÜ-Zusammenfassung zum Modul Computersysteme

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1 4. TÜ-Zusammenfassung zum Modul Computersysteme Kurzzusammenfassung 6. Kapitel MMIX 256 Allzweckregister um Operanden abzuspeichern 32 Spezialregister bilden Schnittstelle zwischen Soft- und Hardware ALU(Arithmetic Logic Unit) ist die Recheneinheit des MMIX und verwendet entweder Operanden direkt aus dem Befehlswort, oder aus den Allzweckregistern Operanden aus dem Speicher müssen vorher mit Ladebefehlen(LDx) in Allzweckregister geladen werden und bei Bedarf mit Speicherbefehlen(STx) wieder in den Speicher geschoben werden Jedes Befehlswort hat 32 Bit die sich in einen 8 Bit Befehl und 3 8 Bit Operanden aufteilen, wobei die Befehle aus Tabellen entnommen werden (in Klausur die letzten Seiten) 1

2 Register sind sehr kleine Speicher auf die schnell zugegri en werden kann, die sich auf dem Prozessor befinden. Sie werden beim MMIX in zwei Kategorien unterteilt: Allzweckregister Allzweckregister können als Operanden für alle Befehle verwendet werden Sie teilen sich in 3 Bereiche auf: Spezialregister Globale Register: Diese Operanden können von allen Funktionen genutzt werden. Speichert man eine neue globale Variable, wird diese an der Stelle rg gespeichert und rg anschließend dekrementiert( rg=rg-1) Lokale Register: Diese Operanden können nur von der Funktion verwendet werden die sie abgespeichert hat. Speichert man eine neue Lokale Variable, wird diese an der Stelle rl gespeichert und rl anschließend inkrementiert( rl=rl+1) Marginale Register: Nicht verwendete Register Spezialregister sind immer einen bestimmten zweck zugeordnet und besitzen beim MMIX die Bezeichnungen ra,...,rz,rbb,rtt,rww,rxx,ryy,rzz. Wenn man einen Wert aus einem Spezialregister in ein Allzweckregister übernehmen will, verwendet man den GET Befehl. Will man den Wert eines Allzweckregisters in ein Spezialregister übernehmen, verwendet man den Befehl PUT. 2

3 Beispiele aus dem Skript für Spezialregister: rh: Im Falle einer 64Bit 64Bit=128Bit Multiplikation werden hier die obersten 64 Ergebnisbits abgelegt rd: Bei einer 128Bit:64Bit=64Bit Division werden hier die obersten 64 Bits des Dividenden abgelegt rr: Bei einer Festkomma-Division wird hier der Rest abgelegt Speicher Wortbreiten Der MMIX Prozessor unterstützt nur folgende Wortbreiten: Byte: 8 Bit Wyde: 16 Bit Tetra: 32 Bit Octa: 64 Bit Alignment Der MMIX-Prozessor greift immer auf 8-Bit Partitionen des Speichers zu. Dabei werden folgende Speichervorschriften als Allignment bezeichnet: Byte können auf jeder der 8-Bit Partionen gespeichert werden Wydes nur auf den Partitionsgruppen (0,1),(2,3),(4,5) und (6,7) Tetras nur auf den Partiotionsgruppen (0,1,2,3) und (4,5,6,7) Octas nur auf (0,1,2,3,4,5,6,7) Mit Hilfe dieser Vorschriften vermeidet man zusätzlich notwendige Logik oder Spezifikationen innerhalb des Befehlswortes, die bestimmt ab wann das benötigte Datenwort anfängt. Somit weiß der MMIX z.b wenn er auf ein Tetra zugreifen will, dass dieses nur an Stellen beginnen kann die durch 4 teilbar sind. 3

4 Big- und Little Endian Speichern des Datenwortes 0x Bei Big Endian wird beim speichern beim größten Bit angefangen Bei Little Endian wird beim speichern beim kleinsten Bit angefangen Der MMIX-Prozessor ist ein Big Endian Prozessor. Speicherorganisation Text-Segment: Hier werden Interuptvektoren und Befehlscode abgespeichert (Interruptvektoren: Adressen oder Verzweigungen zu Interrupt Service Routinen) Daten-Segment: Beinhaltet Variablen und Stacks Pool-Segment: Wird zum Datenaustausch zwischen Programm und Betriebssystem genutzt (enthält z.b. Programmstart) Stack-Segment: Dient dem Auslagern von Registern (für uns unwichtig) Betriebssystem-Segment: Enthält vom Betriebssystem verwendete Daten Virtueller Speicher Der vom Programm addressierte Speicher entspricht nicht dem tatsächlich physikalischen Speicher. Verwendet der Prozessor einen Speicheraufruf, verzweigt das Betriebssystem diesen mit der richtigen Stelle im physikalischen Speicher (siehe Abbildung nächste Seite). Somit wird Speicherplatz gespart, da nur so viel Speicher reserviert werden muss, wie verwendet wird. 4

5 Programme Aufbau Der MMIX Compiler verarbeitet den Code in Zeilen und unterteilt diesen in 4 Bereiche: Marke: Bis auf die Main-Marke,der den Programmstart angibt, sind Marken optional und adressieren Befehle oder Speicherstellen. Benötigt man keine muss eine Leer- oder Tabulatorstelle verwendet werden. Befehl: Gibtan welcher Befehl ausgeführt werden soll und werden einer Tabelle entnommen Operanden: Bestimmt die Operanden die der vorangehende Befehl verwenden soll. Welche Art von Operanden benötigt wird, kann der Befehlstabelle entnommen werden. Kommentar: Text der nur dem Coder dient und vom Compiler ignoriert wird. Beginnt eine Zeile mit einem Sonderzeichen behandelt der Compiler die gesamte Zeile als Kommentar. 5

6 Assembler- und Loaderbefehle IS: Weißt einer Marke ein Allzweckregister zu (Vergleichbar mit Variablen in C). Bsp. Seitenlaenge IS $1 GREG: Initialisierung eines globalen Registers mit einem Wert Bsp. Sp GREG #42 LOC: Steht für locate an adress und springt an die gegebene Adresse Bsp. LOC #100 BYTE,WYDE,TETRA und OCTA: Speichern Operanden der angegebenen Größe an der Adresse an der man sich befindet, wobei Allignment beachtet werden muss Es bietet sich an immer eine Marke zu verwenden nachdem sonst das Datenwort nicht mehr ansprechbart ist. z.b. der Code Vektor LOC tidata Segment Vektor BYTE 1,2,3 Springt zur Adresse # (Data Segment), schreibt die Werte 1,2 und 3 an die darau olgenden Adressen und macht sie mit dem Namen Vektor ansprechbar. Übersetzen von Befelswörtern Wie bereits behandelt bestehen Befehlswörter aus 32 Bit und unterteilen sich in einen 8-Bit Befehl und 3 8-Bit Operanden. Bei den Operanden kann die Zahl direkt Übersetzt werden (Bsp. $1! 0x01, 11! 0x0B). Bei Befehlen muss jedoch in einer Tabelle nachgelesen werden (S. 256) 6

7 Die Werte um die Tabelle bestimmen die Position des Befehls, wobei links und rechts die obersten 4 Bit und oben und unten die untersten 4 Bit stehen Bsp. SUB! 0x24 und 0x25 Die Unterscheidung ob man den obersten bzw. untersten linken oder rechten Wert nimmt gibt an ob der beim Befehl eingeklammerte Fall eintritt, wobei {I}: Immediate,d.h.einerderOperandenisteinDirektoperand {B}: Backwards, d.h. bei einem Sprung verringert sich die Adresse Bsp. Der Code SUB $2,$1,7 enthält einen Direktoperanden weshalb SUB! 0x25 Befehle Befehle werden wie bereits erwähnt aus Tabellen entnommen. Um diese jedoch zu verstehen sind folgende Notationen Voraussetzung Operationen x y: y wird x zugewiesen x, y: x und y gleich x ) y: Wenn x dann y xky: Logische Operation x OR y x=y: liefert 1 wenn x=y sonst 0 x y: Schiebt x um y nach links x u y:schiebt x um y nach rechts und füllt mit 0 x s y:schiebt x um y nach rechts und füllt mit MSB x%y: Rest der Division x y x: Invertiert alle Bits von x x&y: Bitweise AND-Verknüpfung x y: Bitweise OR-Verknüpfung x y: Bitweise XOR-Verknüpfung Festkomma $ Gleitkommazahl f n (w b ): Wandelt b Byte großes Datenwort vom n-bit Gleitkommaformat in eine Festkommazahl um und gibt diese Zahl aus (z.b. 1.75) f 0 n(x): Wandelt Festkommazahl x in n-bit Gleitkommazahl um und gibt Bitmuster aus r(x): Rundet Zahl entsprechend der Im Spezialregister ra gegebenen Rundungsvorschrift 7

8 (De-)Codierung von Festkommazahlen s(w b ): Gibt Zahl des b Bit breiten Wortes w zurück, als wäre es im Zweierkomplement codiert (z.b 101! -3) u(w b ): Gibt Zahl des b Bit breiten wortes zurück, als wäre es als Vorzeichenlose Zahl codiert (z.b. 101! 5) s 0 b (x): Gibt b Bit breites Zweierkomplement Bitmuster der Zahl x zurück (z.b. -7! 1001) u 0 b (x): Gibt b Bit breites vorzeichenloses Bitmuster der Zahl x zurück (z.b. 7! 111) Einschub: Programm beenden mit Befehl TRAP 0,Halt,0 Register-Speicher-Befehle Wie zu Beginn bereits erwähnt,müssen Lade- und Speicherbefehle beim MMIX explizit ausgeführt werden. Ein Problem stellt dabei dar, dass der MMIX keine Möglichkeit hat, bei einem Speicherzugri die 64-Bit Adresse eines Registers direkt in das 32-Bit Befehlswort zu übertragen. Die Lösung ist dabei, dass zu jedem Speicherzugri ein O set Z oder $Z angegeben zu einem Register angegeben wird. Durch Addition dieses O sets auf die Registeradresse kann somit jedes gespeicherte Datenwort adressiert werden. Somit ergibt sich die Struktur: Befehl X(Zieladresse),Y(Basisadresse),Z(O set) Load-Befehl Übersetzung: Übertrage x Byte(M x ) von der Adresse Y + Z an die Adresse X und fülle übrige Bits bis 64 Bit mit dem MSB(s 0 64) oder0(u 0 64) Eigenschaften: Füllt immer alle 64 Bit der Zieladresse Füllt von den LSB zum MSB z.b. FCA5 wird geladen mit LDW! FFFF FFFF FFFF FQA5 8

9 Store-Befehl Übersetzung: Überschreibe x Bytes(M x ) an der Adresse Y + Z mit den Bits n bis m(($x) n...m ) des Datenwortes an der Adresse X Eigenschaften: PREFIX-Befehl Es wird meistens nur ein Teil eines Registers verändert Im Gegensatz zum Load Befehl geben die Operanden Y und Z die Zieladresse an. Der PREFIX-Befehl erö net einen Namensraum. Innerhalb dieses Namensraums wird an verwendete Namen ein sogenannter Prefix angehängt, die sie für den Compiler unterscheidbar von evtl. vorkommenden gleichen Namen macht. Z.B. cde PREFIX abc: cde IS $1 cde PREFIX :abc Beendet Namensraum macht die Variable cde nur innerhalb des Namensraums unter dem Namen cde ansprechbar. Von außen ist sie nur unter dem Namen abc:cde ansprechbar. Funktionen im MMIX Funktionen werden über einen sogenannten Stackpointer realisiert, der in Richtung kleinerer Adressen wächst. In ihm werden Funktionsparameter, Rücksprungadressen und lokale Variablen nacheinander aufgerufener Funktionen gespeichert. Es handelt sich dabei um ein Globales Register das vor Programmstart angelegt wird mit dem Befehl: :SP GREG #

10 Stackpointer in Anwendung Will man Variablen einer Funktion im Stackpointer ablegen, muss man diesen zuersteinmal dekrementieren abhängig von der Anzahl Variablen. Dazu verwendet man für n Variablen: SUB :SP,:SP,n*8 Anschließend werden die Variablen mit Hilfe des Stackpointers abgespeichert. Z.B. ergibt sich somit für 3 Variablen Weiterhin ist als Aufrufkonvention festgelegt, dass die Funktion alle von ihr verwendeten Register auf dem Stack sichern muss, um nicht ungewollt Werte innerhalb der Register zu löschen. Verwendet die Funktion Beispielsweise Register $1 und $2 ergibt sich Somit kann die Funktion ohne das Risiko wichtige Variablen zu überschreiben, ihre eigenen Variablen laden und ihre Befehle ausführen. Will eine Funktion eine andere Funktion aufrufen, so muss sie zunächst einmal ihre eigene Rücksprungadresse auf dem Stack sichern. Anschließend speichert sie ihre zu übergebenden Parameter, an welcher siedann ihren Rückgabewert nach Abschluss der zweiten Funktion auslesen kann. Ist eine Funktion abgeschlossen, lädt sie ihre Sicherungen in die Register und inkrementiert den Stackpointer auf ihren Rückgabewert. 10