Teil Rechnerarchitekturen M05. AVR-CPU und Assembler, Memory Map, Stack, Prozeduraufruf, Calling Convention

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1 Teil Rechnerarchitekturen M05 AVR-CPU und Assembler, Memory Map, Stack, Prozeduraufruf, Calling Convention Corinna Schmitt

2 AVR-CPU und -Assembler 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 2

3 Zentrale Rolle der Assembler-Sprache! Compiler-Eigenschaft Semantikerhaltende Programmtransformation Schema zeigt Wekzeugkette, nicht die Abstraktionsniveaus 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 3

4 Atmega128 - Ressourcen 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 4

5 Widerholung: Von Neumann_Architektur! Das Programm ist im Speicher und wird wie Daten behandelt Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 5

6 Die sog. Harvard-Architektur für CPUs! Leichte Abweichung von der Von-Neumann-Architektur! Die Instruktionen sind in einem separaten Speicherund Adressraum! Beispiel: AVR Microcontroller 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 6

7 Die AVR-CPU! 8-Bit CPU, 32 Register! Uniforme Länge der Instruktionen 2 Bytes (und 4 Bytes)! 5 Speicherzugriffsmodi! Allgemeines Format der Befehle: 4 x 4Bits! Beispiel für load immediate (LDI) 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 7

8 Adressierungsmodus 1: Immediate! Siehe auch Atmel-Dokument zum AVR-Instruktionssatz documents/ DOC0856.PDF! ldi Rd, const (load immediate)! Register erhält Wert einer Konstante! Immediate : Konstante ist Teil der Instruktion! Auch register direct genannt 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 8

9 Adressierungsmodus 2: Data Direct! lds Rd, addr (Load Direct from data space)! sts addr, Rs (Store Direct to data space)! Ziel oder Quelle ist ein Register! Quelle oder Ziel ist der Primärspeicher! Dem Befehl folgt die Adresse (16 Bits), d.h. gesamter Befehl belegt 4 Bytes 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 9

10 Adressierungsmodus 3: Indirect! ld Rd, X (Load Indirect from data space)! st X, Rs (Store Indirect to data space)! Ziel oder Quelle sit ein Register! Quelle oder Ziel ist eine Speicherzelle im Primärspeicher, deren Adresse im X-Register definiert ist! Das X-Register ist ein Pointer! Technisch: X-Register = Kombination R26:R Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 10

11 Adressierungsmodus 3 : Indirect with Displacement! ldd Rd, Y+d (Load Indirect from data space w/ Displ)! std Y+d, Rs (Store Indirect to data space w/ Displ)! Ziel oder Quelle ist ein Register! Quelle Oder Ziel ist eine Speicherzelle im Primärspeicher, deren Basis-Adresse im Y-Register definiert ist, zu welcher noch das Displacement (Offset) addiert werden muß! Das Y-Register ist ein Pointer! Technisch: Y-Register = Kombination R28:R Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 11

12 AVR Studio und WINE! Die Simulationsumgebung AVR Studio 3.56 kann mit WINE auch unter Linux betrieben werden WINE (Wine is Not an Emulator) Implementiert die Window Programmier-Schnittstelle und bildet Aufrufe auf Linux ab 3 Varianten, um Windows-Binaries aus zu führen Ubuntu: sudo apt-get install wine 64-bit Rechner: abi.ldt16 = 1 in /etc/sysctl.con, und sudo sysctl -p 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 12

13 ! Input: Register 16! Output: Register 16 Programmierbeispiel 1: Vorzeichen wechseln! Zuerst müssen die Register geladen werden! Dann das 2er-Komplement berechnen! Beachte die Bit-Negation mit XOR 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 13

14 Implementierung von IF... ELSE! In C: if (r1 < r2), if (r1 <= r2), if (r1 == r2) etc.! AVR hat etwa ein Dutzend Vergleichsoperationen BR{LT, GE} branch if less than, if greater or equal BR{EQ, NE} branch if equal, if not equal BRCS und BRCC branch if carry set, if carry clear BRLO branch if lower (unsigned) BRSH branch if same or higher (unsigned) BR{MI, PL} branch if minus, if plus BR{VC, VS} branch if overflow clear, if set sowie weitere Abfragen auf anderen Bits und Flags 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 14

15 Bedingte Ausführungen von Code! In C: if (r1 < r2) {statement; }! Realisierung in zwei Schritten Zuerst Register vergleichen Dann auf Grund von Nebeneffekten (Flags) bedingter Sprung! Umsetzung 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 15

16 Ausführung von Code-Alternativen! In C: if (r1 < r2) {statement1; } else {statement2; }! Umsetzung 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 16

17 WHILE Schleife! In C: while (r1 < r2) {statement; }! Umsetzung 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 17

18 REPEAT-UNTIL bzw. DO-WHILE Schleife! In C: do {statement; } while (r1 < r2)! Umsetzung 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 18

19 FOR Schleife! In C: for (statement1; r1 < r2; statement2) {statement3; }! Umsetzung 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 19

20 Programmierbeispiel 2: Reihe! Zahlen von 1 bis N addieren! BRNE = branch if not equal 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 20

21 Programmierbeispiel 3: Länge eines Strings berechnen (1)! ASCIIZ: String wird durch das Zeichen 0x00 abgeschlossen (in C)! Neue Befehle rjmp relative jump.db Assembler-Anweisung für Datenablage cpi compare immediate, Vergleich mit einer Konstant Z Pseudoregister Zugriff auf Programmspeicherbereich (Z = R31:R30) adiw add immediate to word Bearbeitung von Z lpm load from program memory 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 21

22 Programmierbeispiel 3: Länge eines Strings berechnen (2) 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 22

23 Memory-Map Stack 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 23

24 Speicheradressen des Datensegments (Memory Map) 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 24

25 ! Stapel, Kellerspeicher etc. Stack! Zwei Operationen: push (neues Element drauf -legen) pop (oberstes Element wegnehmen)! Stack pointer (SP): zeigt auf erste freie Stelle! Bei AVR (und meisten CPUs): Stack wächst nach unten d.h. ein PUSH verkleinert den Wert des Stack Pointer 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 25

26 Stack im AVR-Chip! Stack liegt im Datensegment (SRAM)! SP ist ein Spezialregister, 16-bit weit Alle Register sind memory-mapped auch SP 0x5d (low byte) 0x5e (high byte)! Initialisierung: 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 26

27 Stack-Verwendung! Dynamischer Speicher anlegen: Bytes ablegen (und holen)! Gegensatz: statisch allozierte Variablen: Üblicherweise im unteren Speicherbereich (0x ) (Konstanten: im code -Segment / read-only memory)! Beispiel: Register tempora r freimachen! Wiederholung: Stackpointer zeigen auf erste freie Position 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 27

28 Stack-Maschinen! Operationen meist nur im Register wegen Geschwindigkeit (Speicherzugriff)! Stack wird aber als Zwischenablage verwendet! Beispiel: 3 * ( fct(4) + fct(5) ) sei zu berechnen Umsetzung: push 3 call fct(4) (Resultat auf dem Stack) call fct(5) (Resultat auf dem Stack) pop r1 / pop r2 / add r1,r2 / pop r2 / mult r1,r2! Heutige CPUs sind keine reinen Stackmaschinen, aber beinahe 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 28

29 Infix, Postfix und Prefix-Notation! Arithmetische Ausdrücke in verschiedenen Darstellungen: Normale (Infix-) Notation: 3 mult (4 plus 5) Postfix Notation: plus mult reine Stackmaschine keine Register nötig keine Klammern auch bekannt als RPN reverse polnish notation Grundlage von PostScript, Forth Prefix Notation: (mult 3 (plus 4 5)) z.b. in LISP, Tcl 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 29

30 Exkurs: Postfix-Notation funktioniert auch für Code! In C: if (test(a)) {statement1; } else {statement2; }! Umsetzung in Postfixnotation (PostScript)! Vorteil: keine Labels nötig 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 30

31 Postfix-Order abarbeiten (mit Registern)! Infix: a + b * c + (d * e + f) * g! Postfix: a b c * + d e * f + g * Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 31

32 Postfix-Order erzeugen Compiler-Arbeit! Infix: a + b * c + (d * e + f) * g! Postfix: a b c * + d e * f + g * +! Syntaxbaum des (Infix-) Ausdrucks erzeugen! Baum depth first traversieren (siehe Algo & Daten)! Dabei Operatoren (eines Knotens) am Schluß ausgeben 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 32

33 Subroutinen! Code an Adresse s1 soll mehrfach verwendet werden können 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 33

34 (r)call und ret: Stack für Rücksprung-Adresse nutzen! call: legt das Wort PC + 1 auf den Stack, SP (Stack-Pointer) wird um 2 verkleinert (post-decrement) setzt PC (Programm-Counter) auf die Adresse der Subroutine! ret: erhöhe SP um 2 (pre-increment) ersetzt PC mit Stackwort, auf den SP zeigt 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 34

35 Prozeduraufrufe Calling Conventions 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 35

36 Prozedur-Aufruf Beispiel mit max()! In C: void max( ) {if (r1 < r2) r3 = r1; else r3 = r2;}! Umsetzung 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 36

37 Prozedur-Aufruf ohne Stackpointer (1)! Rücksprung-Adresse muss nicht im Stack abgelegt werden. Statt rcall max (mit impliziter Benutzung des Stacks) Rücksprungadresse in Reg (oder Hauptspeicher) ablegen. Beispiel mit Register Z (r30:r31) 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 37

38 Prozedur-Aufruf ohne Stackpointer (2)! Problem: Nur 1 Register Z vorhanden: Was, falls max() eine zweite Prozedur aufrufen muss?! Für jeden Aufruf (!) einen separaten Speicherplatz, um Rücksprung abzulegen! Damit ist aber keine Rekursion möglich. ( frühes Fortran)! Man könnte die separaten Speicherplätze wie einen Stapel verwalten (Rekursion auch ohne CPU- Stackpointer ist mo glich) 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 38

39 Parameter-Übergabe für Prozeduren/ Funktion! In C: int max(int a, int b) { return a > b? a : b }! Ähnliche Diskussion wie bei Rücksprungadresse: Ein-/ausgehende Werte: Stapel, Register oder Hauptspeicher? Praxis:! Beispiel: Einfache Parameter/Funktionswerte (z.b. int) via Register Liste von Eingabeparameter auf dem Stack übergeben 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 39

40 Anforderungen an Parameter-Übergabe! Prozedur hat lokale Variablen! Arbeitsregister müssen temporär gesichert werden! Calling Convention : Wer ist für die Register-Sicherung zuständig?! Stack Frame : Speicherauslegeordnung einer Prozedur Rücksprungadresse gesicherte Arbeitsregister lokale Variablen 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 40

41 Stack-Frame (C-Stil) 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 41

42 Historische Bemerkung: Pascal vs C-Parameterübergabe! Pascal: PROCEDURE proc(a, b: INTEGER);... Aufruf:... proc(3, 4);! C: proc(int a, int b,...);... Aufruf:... proc(3, 4, 5, 6);! Das heisst: C erlaubt variable Parameterzahl, siehe printf( ``hello %s, ``world );! Dies bedingt, dass C die Parameter in umgekehrter Reihenfolge auf den Stack legt. Deshalb ist auch die Ausführordnung in C unbestimmt Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 42

43 Funktionsaufruf und Parameter-Übergabe! Ablauf beim Caller : Arbeitsregister sichern soviel Parameter wie möglich in Register, sonst Stack Rücksprungadresse sichern, Aufruf Ergebnis aus dem r24:r25 Register lesen! Ablauf beim Callee : Prolog: FP sicher, Parameter kopieren, neuer FP+SP, Reg sichern Code abarbeiten Resultat in richtige Register schieben Epilog: Reg restaurieren, FP zurücksetzen, Stack räumen 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 43

44 Beispiel für Framepointer-Verwendung! In C: fct() { char a;... } AVR-Konvention: Y-Register (r28:r29) als Frame Pointer AVR-Konvention: Framepointer zeigt auf unterste lokale Variable Bemerkung: SP wird durch eine IO-Operation gelesen, siehe IO 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 44

45 C-Compiler für AVR-CPU! Crosscompiler Wird auf einem Host-Rechner ausgeführt (z.b. Intel x86, Linux) Erzeugt aber Code für eine andere Architektur, wie AVR! gcc unterstützt auch AVR: spezielle Version des Kompilers, muss speziell installiert werden (sudo apt-get install avr-gcc)! Aufruf (um Assembler-Code zu generieren, liegt in test.s vor): /opt/cdk4avr/bin/avr-gcc -S test.c 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 45

46 Beispiel (1)! main() { unsigned char a; a = 5; return 10 * a; } 2015 Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 46

47 Beispiel (2)! main() { unsigned char a; a = 5; return 10 * a; }! Der Compiler, das unbekannte Wesen... Zuerst: % avr-gcc -S test.c Dann: % avr-gcc -O9 -S test.c!... ausführen und jeweils test.s anschauen Corinna Schmitt Teil Rechnerarchitekturen - 47