Karlsruher Institut für Technologie

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1 Karlsruher Institut für Technologie Lehrstuhl für Programmierparadigmen Sprachtechnologie und Compiler WS 2010/2011 Dozent: Prof. Dr.-Ing. G. Snelting Übungsleiter: Matthias Braun Lösung zu Übungsblatt 9 Ausgabe: Besprechung: matthias.braun@kit.edu Aufgabe 1: Aufrufkonventionen Beschreiben Sie die Aufraufkonventionen (Calling Conventions) von 2 der folgenden Prozessorarchitekturen auf einem Betriebssystem Ihrer Wahl: 1. IA PowerPC 3. AMD-64/Intel ARM 5. MIPS 6. Sparc (V8) Suchen Sie hierzu im Internet nach den entsprechenden Dokumenten im Internet (z.b. auf den Herstellerseiten). Geben Sie für jede der von Ihnen gewählten Plattformen an, wie die Argumente beim Aufruf folgender C- Funktion übergeben werden. Wie wird der Rückgabewert zurück gegeben? struct test struct { int x; int y; }; int foobar(int i, char c, double d, int j, struct test struct s) { return 42; } 1

2 Lösung: Aufrufkonventionen (auch Application Binary Interface ABI genannt) werden vom Betriebssystem, Übersetzer und der Programmiesprache festgelegt. Sie beschreiben unter anderem: x86 Wie Paramter und Funktionsresultate übergeben werden. Wird der Stack oder Register benutzt; falls Register welche? Wie werden zusammengesetzte Datentypen behandelt? Register die bei einem Funktionsaufruf ihren Wert behalten. Diese nennt man callee-saved Register weil die aufgerufene Funktion diese sichern und wiederherstellen muss, falls sie die Register nutzen will. Gegenteil: caller-saved Vorschriften für die Anordnung der Felder im Activation Record. Registersatz: 8 General Purpose Register: EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP Fließkomma ST(0)-ST(7) callee saved: EBX, ESI, EDI, EBP, ESP Spezialregister: ESP Stackpointer EBP Basepointer Parameterübergabe: C Datentyp Parameter Rückgabe Integer, Zeiger Stack Register EAX Fließkomma Stack Register ST(0) struct, union Auf dem Stack wird ein Zeiger auf einen Puffer übergeben, aus dem die Eingabe gelesen wird Als Parameter wird ein Zeiger auf einen Puffer übergeben in den das Ergebnis kopiert wird a Activation Records: Parameter auf dem Stack: von rechts nach links Rücksprungadresse auf dem Stack Gesicherter Frame Pointer ( Base Pointer ) kommt als erstes. Auf Mac OS/X: Stackpointer 16 bytes aligned Basepointer üblicherweise hinter gesichertem alten Basepointer. Erster Parameter damit bei EBP+8. Beispielfunktion: Parameter: Parameter Übergabe s Stack, (bei EBP + 28) j Stack, (bei EBP + 24) d Stack, (bei EBP + 16) c Stack, (bei EBP + 12) i Stack, (bei EBP + 8) Rückgabe in EAX Literatur: Gute Zusammenfassung für x86: a Kleine structs werden aud Mac OS/X in Registern übergeben 2

3 x86-64, AMD 64, Intel 64 Konventionen nach von AMD (von praktisch allen Systemen bis auf kleine Änderungen übernommen). Registersatz: 16 General Purpose Register: RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, R8-R15 Fließkomma ST(0)-ST(7) Register, SSE XMM0-XMM15 callee saved: RBX, RBP, R12-R15, RSP Spezialregister: RSP Stackpointer RBP Basepointer R10 static link (falls nötig) Parameterübergabe: C Datentyp Parameter Rückgabe Integer (windows) RCX, RDX, R8, R9, Stack RAX Integer (linux, mac,...) RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9, Stack RAX double XMM0-XMM4, Stack XMM0-XMM1 struct Activation Records: Auf dem Stack wird ein Zeiger auf einen Puffer übergeben, aus dem die Eingabe gelesen wird Parameter auf dem Stack: von rechts nach links Rücksprungadresse auf dem Stack Gesicherter Frame Pointer ( Base Pointer ) kommt als erstes. Stackpointer 16 bytes aligned Als Parameter wird ein Zeiger auf einen Puffer übergeben in den das Ergebnis kopiert wird a 128 Bytes hinter Stackzeiger sind reserviert (ohne Calls müssen diese also nicht durch subtraktion von RSP reserviert werden). Beispielfunktion (Linux): Parameter: Parameter i c d j s Übergabe RDI RSI XMM0 RDX RCX ( test struct passt komplett in ein 64bit Register) Rückgabe in EAX Literatur: a Kleine structs werden zum Teil in Registern übergeben 3

4 ARM Registersatz: 16 General Purpose Register: R0-R15 callee saved: R4-R8, R10-R11, R13, abhängig von Implementierung auch R9 Spezialregister: R12 reserviert für Linker um symbolische Call Adressen aufzubauen, in Programmteilen ohne diese symbolischen Adressen verwendbar R13 Stackpointer R14 Linkregister (Rücksprungadresse) R15 Programcounter (als General Purpose Register zugreifbar) Parameterübergabe: C Datentyp Parameter Rückgabe int R0-R3, Stack R0-R3 double R0-R3, Stack (soft-math) oder S0-S15, R0, R1 (soft-math) oder S0, D0, Q0 struct Activation Records: D0-D7 Auf dem Stack wird ein Zeiger auf einen Puffer übergeben, aus dem die Eingabe gelesen wird Parameter auf dem Stack: von rechts nach links Aligned auf 4 bytes Beispielfunktion: Als Parameter wird ein Zeiger auf einen Puffer übergeben in den das Ergebnis kopiert wird a Parameter: Parameter i c d j s Übergabe R0 R1 R2+R3 Stack Stack Rückgabe in R0 Weiter Infos: aapcs.pdf a Kleine structs werden zum Teil in Registern übergeben Aufgabe 2: Activation Records Gegeben folgendes Programm: int iterations ; int fib (int x) { int r; iterations ++; if (x == 0) { r = 0; } else if (x == 1) { r = 1; 4

5 } } else { r = fib(x 1) + fib(x 2); } return r; int main(void) { int input; scanf( %d, &input); printf ( Result: %d, needed %d iterations\n, fib(input), iterations ); return 0; } Stellen Sie sich einen nicht optimierenden Compiler vor, der alle Variablen auf dem Stack ablegt. Außerdem verlangt die Aufrufkonvention dass alle Argumente auf dem Stack übergeben werden. Der Prozessor selbst legt beim Betreten einer Funktionen die Rücksprungadresse auf den Stack. Stellen Sie die Struktur des Stacks unmittelbar vor dem Aufruf der Funktion fib dar und nach dem 2. Rekursionsschritt der Funktion fib. Lösung: Rücksprung-Adresse (zum Laufzeitsystem) Variable input 3. Parameter für printf ( iterations ) Parameter für fib (input) 5

6 Vor dem 2. Rekursionsschritt: Rücksprung-Adresse (zum Laufzeitsystem) Variable input 3. Parameter für printf ( iterations ) 1. Parameter für fib (input) Rücksprung-Adresse (zu main) Lokale Variablen von fib (r) 1. Paramter für fib (x 1) Rücksprung-Adresse (zu fib) Aufgabe 3: Array-Adressierung Geben Sie für ein 4-dimensionales Array a[ , , , ] von 32-Bit Ganzzahlen den erzeugten Zwischencode (Bytecode oder Tripelcode) zur Adressberechnung gemäß Hornerschema an. Berechnen Sie zuvor die korrekte virtuelle Anfangsadresse adr(a[0, 0, 0, 0]). Sie dürfen annehmen, dass die l µ Compilezeitkonstanten sind. Lösung: Berechnung von adr(a[0, 0, 0, 0]): ( n ( adr(a[0, 0, 0, 0]) = adr(a[i 1, i 2, i 3, i 4 ]) d i ν ν=1 n µ=ν+1 l µ )) = adr(a[i 1, i 2, i 3, i 4 ]) d (i 1 l 2 l 3 l 4 + i 2 l 3 l 4 + i 3 l 4 + i 4 ) = adr(a[i 1, i 2, i 3, i 4 ]) d (((i 1 l 2 + i 2 ) l 3 + i 3 ) l 4 + i 4 ) = adr(a[ 10, 20, 30, 0]) 4 ((( ) ) ) = adr(a[ 10, 20, 30, 0]) Resultierender Tripelcode: mov r, i1 mul r, l2 add r, i2 mul r, l3 add r, i3 mul r, l4 add r, i4 mul r, d add r, adr(a [0,0,0,0]) 6