Einführung. Saalübung Informatik II SS Einführung. Einführung

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Sofia Adenauer
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1 Saalübung Informatik II SS 2006 SPIM-Assembler Teil 1 Einführung Übung zur SPIM-Assemblerprogrammierung Assembler ist die elementare Sprache eines Prozessors Assemblerbefehle repräsentieren die Basisoperationen des Prozessors Programmieren in Assembler bringt Verständnis für den Aufbau des Prozessors Einführung Einführung Maschinenbefehl ist eine Folge von Nullen und Einsen, welche dem Prozessor die auszuführende Operation mitteilt Diese Operation sieht in Assembler so aus: add $t0, $t1, $t3 leichter verständlich Unüblich in Assembler zu programmieren Kommunikation mit dem Prozessor erfolgt über eine Programmiersprache Höhere Programmiersprachen sind z.b. Pascal, Fortran, C, C++, Java Programme in höheren Programmiersprachen sind hardwareunabhängig

2 Programmiersprachen Eine einfache Anweisung in FORTRAN High-Level-Language (z.b. C, C++, früher Fortran) Compiler übersetzt in Assemblersprache (Befehle des Prozessors) Assembler übersetzt in Maschinencode (Folgen von Nullen und Einsen) ergebnis = faktor1 * faktor in MIPS Assembler (MIPS ~ 32-Bit-RISC-Architektur) lw $t0, faktor1 lw $t1, faktor2 mul $t2, $t0, $t1 addi $t2, $t2, 89 sw $t2, ergebnis in VAX Assembler (VAX ~ 32-Bit-CISC-Architektur) MULL3 faktor1, faktor2, R5 ADDL3 R5, 89, ergebnis Der MIPS-Prozessor Hauptspeicher 32-Bit Architektur jedes Register 32 Bit lang, Speicheradressen 32 Bit, Instruktionen 32 Bit lang Hauptspeicher, CPU, 2 Coprozessoren CPU und Floatingpoint-Einheit haben je 32 Register Coprozessor 0 für Traps und Interrupt Dreiadressinstruktionen: Ziel, Quelle1, Quelle2 MIPS Hauptspeicher ist ein Feld von 2^32 Bytes Jedes Byte hat eine 32 Bit lange Adresse Jedes Byte enthält eine 8-Bit lange Zeichenkette Adressen des MIPS Hauptspeichers von 0x bis 0xFFFFFFFF (flat) Die ersten 2^31 Byte sind für Nutzerprogramme und Daten reserviert, die andere Hälfte ist für spezielle Zwecke reserviert

3 MIPS-Speichermodell MIPS Speicherarchitektur Load- and Store-Architektur Daten und Befehle müssen vom Hauptspeicher vor Ausführung/Bearbeitung in den Prozessor geladen werden Operationen im Hauptspeicher sind nicht möglich Laden: eine Bitfolge beginnend ab angegebener Adresse im Hauptspeicher wird in den Prozessor geladen Speichern: Bitfolge wird von Register des Prozessors in den Hauptspeicher an angegebene Adresse kopiert Hauptspeicheraufbau Speicheraufbau Textsegment: enthält Benutzerprogramme Datensegment: enthält Benutzerdaten für obige Programme Stacksegment: (Kellersegment), für Zwischenspeicherung von lokalen Userdaten (Argumente, Zwischenergebnisse, gerettete Registerwerte etc.)

4 Register der CPU Register der CPU Register Nr. Name Benutzt für 32 Register mit Länge 32-Bit Register universell einsetzbar (general purpose) $0... $31 Bezeichnung der Register Außerdem mnemonische Bezeichnung, spiegelt Benutzung wieder $0 z.b. Zero hartverdrahtete Null, kann nicht beschrieben werden $0 Zero Nullregister $1 $at Reserviert für Assembler $2, $3 $v0, $v1 Ergebnisse aus Unterprogramm $4 - $7 $a0 - $a3 Argumente für ein Unterprogramm $8 - $15 $t0 - $t7 Temporär, wird nicht gesichert bei UP $16 - $23 $s0 - $s7 GeSichert bei UP $24, $25 $t8, $t9 Temporär, wird nicht gesichert bei UP $26, $27 $k0, $k1 Kernel, reserviert für BS $28 $gp Global Pointer $29 $sp Stack Pointer $30 $fp Frame Pointer $31 $ra Rückkehr-Adresse Register Koprozessor 1 FP Maschinenzyklus 32 floating point Register, Länge 32 Bit Bezeichnung $f0... $f31 1. Instruction Fetch: Laden der Instruktion 2. Erhöhen des Programmzählers (PC) 3. Ausführen der Operation (Execute) Für doppelte Genauigkeit werden zwei Register zusammengefasst: $f0 und $f1 bis $f30 und $f31 Instruktionen werden sequentiell abgearbeitet (nacheinander)

5 Maschinenbefehle Der MIPS-Simulator SPIM 32 Bit lang z.b. addu $10, $9, $ Bit Befehlscode, 5 Bit Quellreg.1, 5 Bit Quellreg.2, 5 Bit Zielreg., 5 Bit (Shift) 6 Bit Befehlscode Bildet den MIPS R2000/3000-Prozessor nach Programme werden mit Editor geschrieben, gesichert und dann in den Simulator geladen Simulator übernimmt Syntaxprüfung beim Laden, Programm wird im Simulator abgearbeitet Registerinhalte können überprüft werden Fehler führen i.a. nicht zum Absturz des Computers, beim Test auf realem Prozessor durchaus üblich Unterstützt Breakpoints und Single Step, einfache Ein- und Ausgabe zur Nutzerinteraktion Simulator SPIM Befehlsübersicht Simulator verfügbar für verschiedene Betriebssysteme The current version of spim is (August 2005) Tutorial von Reinhard Nitzsche m_tutorial.pdf Befehle PDF Datei Quelle: m.inst.txt

6 SPIM unter Windows Starten von PCSpim Register der CPU Zeile im Programmcode-Fenster Programm code [0x ] 0x8fa40000 lw $4, 0($29) ; 89: lw $a0, 0($sp) Sicht auf den Speicher Statusinformationen Speicheradresse Numerische Codierung der Instruktion Instruktion Zeilennummer im Quellcode Quellcode-Zeile

7 PCSpim Settings Beispielprogramm Programmstruktur einfaches Beispiel Msg: main:.data.asciiz "Hallo, Welt!".text li $v0, 4 la $a0, Msg syscall jr $ra Stack Stack in MIPS Stack Form der Speicher-Organisation Verhalten des Stacks LIFO last in first out (vergleichbar mit Stapel z.b. Teller) Datenelemente des Stacks in MIPS sind 32- Bit Worte $sp Stackpointer: zeigt auf das oberste Element des Stacks 81 oberstes Element -92 unterstes Element

8 Stack in MIPS Unterprogramme Push # der zu speichernde Wert stehe in $t0 sub $sp,$sp,4 # Stackpointer um 4 erniedrigen sw $t0,($sp) # speichert den Wert an die oberste # Stackposition Pop # hole aus stack wert nach $t0 lw $t0,($sp) # kopiert den wert nach $t0 add $sp,$sp,4 # Stackpointer zeigt auf neues letztes # Element Grundsatz der Programmierung share identical code ~ Schreibe nichts doppelt! Daraus ergibt sich eine Verringerung des Wartungsaufwands des Programmier- und Prüfungsaufwands und des Platzbedarfs Unterprogramme Coprozessor.text main:... jal sub_routine... # jump and link ############################ # Name des Unterprogramms # Eingabe: # $a0 Argument 1 # Ausgabe: # $v0 Ergebnis ############################ sub_routine: # Stack Behandlung # Aktionen # Stack Behandlung jr $ra # Rücksprung ggf. Breakpoint setzen und per Single Step die Routine abarbeiten verarbeitet Fließkommazahlen Austausch von Registerwerten zwischen CPU und Coprozessor ist möglich Aber: in der CPU werden lediglich Festkommazahlen verarbeitet

9 Beispiel Floating Point.data v1:.double 3.1 v2:.double 0.8 max:.double text main: l.d $f4, v1 # lade v1 nach $f4 l.d $f6, v2 # lade v2 nach $f6 l.d $f8, max # lade max nach $f8 loop: add.d $f4, $f4, $f6 # $f4 = $f4+$f6 c.le.d $f4, $f8 # prüfe ob $f4 kleiner gleich $f8, wenn ja float-flag=true # andernfalls float-flag=false bc1t loop # wenn float-flag=true springe zu loop jr $ra

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