Direktiven. Direktiven vereinfachen das Datenlayout eines Programms im Speicher einfacher festlegen zu können.

Transkript

1 Direktiven Direktiven vereinfachen das Datenlayout eines Programms im Speicher einfacher festlegen zu können. Damitder Assembler ein Programm, wie auf der rechten Seite gezeigt, erzeugt, schreiben wir:.text 0x li $v0, 1 li $a0, $05 syscall 0x : li $v0, 1 0x : li $a0, 5 0x : syscall... 0x : H 0x : a 0x : l 0x : l 0x : o....data 0x str:.asciiz "Hallo Welt! Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 128

2 Direktive.align n.ascii str.asciiz str.byte b1,,bn.data <addr>.double d1,,dn Direktiven in SPIM und MARS Bedeutung Align next data item on specified byte boundary (0=byte, 1=half, 2=word, 3=double) Store the string in the Data segment but do not add null terminator Store the string in the Data segment and add null terminator Store the listed value(s) as 8 bit bytes Subsequent items stored in Data segment at next available address. If the optional Argument <addr> is present, subsequent items are stored starting at address addr. Store the listed value(s) as double precision floating point Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 129

3 Direktiven in SPIM und MARS Direktive.extern sym size.float f1,,fn.globl sym.half h1,,hn Bedeutung Declare the listed label and byte length to be a global data field Store the listed value(s) as single precision floating point Declare the label sym as global to enable referencing from other files Store the listed value(s) as 16 bit halfwords on hlf halfwordboundary Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 130

4 Direktiven in SPIM und MARS Direktive.kdata <addr>.ktext <addr> Bedeutung Subsequent items stored in Kernel Data segment at next available address. If the optional Argument <addr> is present, subsequent items are stored starting at address addr. Subsequent items (instructions) stored in Kernel Text segment at next available address. If the optional Argument <addr> is present, subsequent items are stored starting at address addr. Bemerkung: Der Kernel ist der Beriech im Speicher, in dem die Betriebssystemfunktionalität realisiert ist. Ein Beispiel hatten wir schon gesehen, der Exception Handler. Dieser liegt im Kernel Space. Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 131

5 Direktiven in SPIM und MARS Direktive.set noat and.set at.space n.text <addr>.word w1,,wn Bedeutung The first directice prevents SPIM from complaining about subsequent instructions that use register $at. The second directive re enables the warning. (not supported inmars) Reserve the next specified number of bytes in Data segment. Subsequent items (instructions) stored in Text segment at next available address.. If the optional Argument <addr> is present, subsequent items are stored starting at address addr. Store the listed value(s) as 32 bit words on word boundary Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 132

6 Makros (nicht Besandteil von SPIM/MARS) Makros definieren in einem Wort eine Folge von Instruktionen. Beim assemblieren wird jedes Auftreten des Makronamens im Code mit den Instruktionen ausgetauscht. Beispiel:.macro print_int($arg) la $a0, int_str mov $a1, $arg jal printf.end_macro Code:... print _ int($t0)... wird expandiert zu:... la $a0, int_str mov $a1, $t0 jal printf... Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 133

7 Gegeben sei folgendes Makro: Quiz.macro zeige_zahl($arg) li $v0,1 # Lade System Call Code # für print_int i tnach $v0 $0 move $a0,$arg # Lade das Argument für den # System Call nach $a0. syscall # aufruf des System Call.end_macro Ist folgende Code Zeile Zil dasselbe wie ein Funktionsaufruf? f? zeige_zahl($t0) Welche Bildschirmausgabe erzeugt der folgende Code Schnipsel? li $v0, 42 # Lade $v0 = 42 zeige_zahl($v0) # Verwende Makro mit dem Parameter $v0 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 134

8 Nochmal alles im Überblick Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 135

9 MIPS R2000 CPU und Coprocessoren Memory CPU Registers $0... $31 Coprocessor 1 (FPU) Registers $0... $31 Arithmetic Unit PC Multiply Divide Lo Hi Condition Flags Arithmetic Unit Coprocessor 0 (Traps and Memory) Registers BadVadr ($8) Status ($12) Cause ($13) EPC ($14) Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 136

10 Alle Instruktionsformate opcode src1 src2 dest shamt funct 6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit R Typ (Register Typ) opcode reg1 reg2 Sprungoffset/Wert 6 Bit 5 Bit 5 Bit 16 Bit I Typ (Immediate Typ) opcode Adresse 6 Bit 26 Bit J Typ (Jump Typ) 32 Bit Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 137

11 Kompletter CPU Registersatz Name Nummer Verwendung Wird über Aufrufgrenzen bewahrt? $zero 0 Konstante 0 n.a. $at 1 Assembler Temporary nein $v0 $v1$v1 2 3 Prozedur Rückgabe nein $a0 $a3 4 7 Prozedur Parameter nein $t0 $t Temporäre nein $s0 $s Temporär gesicherte ja $t8 $t Temporäre nein $k0 $k Reserviert für das OS nein $gp 28 Global Pointer ja $sp 29 Stack Pointer ja $fp 30 Frame Pointer ja $ra 31 Return Adresse ja Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 138

12 Einige CPU Instruktionen Kt Kategorie Unterkategorie t Assembler Befehlsname Bfhl (Mnemonic) Typ Register add, addu, sub, subu R mult, multu, div, divu, mfhi, mflo Einfache Arithmetik Immediate addi, addiu I Logische Operationen Register and, or, nor, xor R Immediate andi, ori, xori I Bedingte Sprünge beq, bne I Unbedingte Sprünge j, jal J jr Word lw, sw, ll, sc I Speicherzugriff iff Hlf Halfword lh, lhu, sh I Byte lb, lbu, sb I Laden von Konstanten lui I Vergleiche Register slt, sltu R Immediate slti, sltiu I Shifts sll, sllv, slr, slrv, sra, srav R Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 139 R

13 Einige FPU Instruktionen Kategorie Assembler Befehlsname (Mnemonic) Typ Branch bc1f, bc1t I FPU Registerzugriff mtc1, mfc1 R FPU Speicherzugriff lwc1, swc1, ldc1, sdc1 I Single Precision Arithmetik ision add.s, sub.s, s mul.s, div.s R Double Precision Arithmetik add.d, sub.d, mul.d, div.d R Verschieben von Registerinhalten der FPU mov.s, mov.d R Single Precision Vergleiche c.x.s (x=eq, lt, le) R Double Precision Vergleiche c.x.d (x=eq, lt, le) R Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 140

14 Einige Pseudoinstruktionen Kategorie Branches 32 Bit Immediate laden Register kopieren Mnemonic blt, bltu bgt, bgtu ble, bleu bge, bgeu li move Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 141

15 Speicherbelegungskonvention $sp $gp 0x7ffffffc 0x Stack Heap Hohe Ad dresse Benutzer Speicher Argument 6 Argument 5 Saved Register $fp $pc 0x x x Statische Daten Text Reserviert e Niedrige Adresse Lokale Variablen Unbenutzer Speicher Procedure Frame $sp Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 142

16 Immediate Adressierung Bi Beispiel: il addi $s0, $s2, 42 # $s0 = $s (Instruktionstyp: I Typ) Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 143

17 Register Adressierung Bi Beispiel: il add $s0, $s2, $s4 # $s0 = $s2 + $s (Instruktionstyp: R Typ) Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 144

18 Basis Adressierung Bi Beispiel: il lw $t0, 12($s0) # $t0 = Inhalt der Speicherstelle $s2+12 (Instruktionstyp: I Typ) Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 145

19 PC Relative Adressierung Beispiel: beq $s0, $s2, Label # wenn $s0 = $s2 dann springe nach # Label. (Instruktionstyp: I Typ) (Beachte: Address speichert die Anzahl zu überspringender Words und nicht die Bytes) Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 146

20 Pseudodirekte Adressierung Beispiel: j Label # Springe nach Label (Instruktionstyp: I Typ) (Beachte: Address speichert die untere Basis des PC in Words und nicht in Bytes) Bildquelle: David A. Patterson und Grundlagen John L. Hennessy, der Rechnerarchitektur Computer Organization Assembler and Design, Fourth Edition,

21 Eine Instruktion haben wir noch vergessen nop # tue nichts So das war s: li $v0,10 syscall Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 148

22 Zusammenfassung und Literatur Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 149

23 Zusammenfassung Assembler als Schnittstelle Shi zwischen höheren Sprachen und den Maschinen Instruktionen Assembler übersetzt menschenlesbare Assembler Instruktionen in maschinenlesbare Maschineninstruktionen (Zahlen) Assembler kann die ISA mit sinnvollen Pseudoinstruktionen erweitern Wir haben nochmals deutlich das Prinzip des Stored Program gesehen Instruktionensindununterscheidbar sind ununterscheidbar von Zahlen Instruktionen liegen im gewöhnlichen Datenspeicher Programmieren in Assemblersprache macht alles schneller? Wenn dann nur kritischste Teile Compiler kennt die Intention des Programmes nicht Compiler optimieren heutzutage aber sehr gut; meist besser als der gewöhnliche Assemblerprogrammierer Höhere Sprache bedeutet weniger Codezeilen und damit auch schnellere Programmierzeit Höhere Sprache bedeutet auch das Code schneller auf neue Architektur portierbar ist Der Speicher speichert ih lediglich ldilihbits. Interpretation des Inhalts hängt von der Instruktion ab die darauf zu greift Programmieren lernt man nicht durch zuhören. Übung mach den Meister! Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 150

24 Literatur [PattersonHennessy2012] David ida. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, Introduction 2.2Operationsof of the Computer Hardware 2.3 Operands of the Computer Hardware 2.5 Representing Instructions in the Computer Instructions for Making Decisions 2.8 Supporting Procedures in Computer Hardware 2.9 Communicating with People 2.10MIPSAddressingfor 32 Bit Immediates and Adresses 2.11 Parallelism and Instructions: Synchronization 4.9 Exceptions B.1 Introduction B.2 Assemblers B.5 Memory Usage B.6 Procedure Call Convention B.7 Exceptions and Interrupts B.9 SPIM B.10 MIPS R2000 Assembly Language Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 151