Grundlagen der Rechnerarchitektur. MIPS Assembler

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Rosa Schubert
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1 Grundlagen der Rechnerarchitektur MIPS Assembler

2 Übersicht Arithmetik, Register und Speicherzugriff Darstellung von Instruktionen Logische Operationen Weitere Arithmetik Branches und Jumps Prozeduren 32 Bit Konstanten und Adressierung Synchronisation Exceptions Pseudoinstruktionen, Direktiven und Makros Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 2

3 Motivation Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 3

4 Warum ein Assembler Kurs? Wir wollen etwas über Rechnerarchitektur lernen. Assembler ist ein Teil davon. Nach dem Erlernen von Assembler eines Systems, lernt man Assembler anderer Rechner kinderleicht Während wir uns mit Assembler beschäftigen lernen wir auch generelle Konzepte kennen, wie die Hardware in Computern und eingebetteten Systemen organisiert ist Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 4

5 Vor und Nachteile von Assembler Wann sollte man Assembler programmieren? Code Größe oder Geschwindigkeit sollen bis auf das äußerste ausgereizt werden Verwendung spezieller Maschineninstruktionen, die ein Compiler nicht nutzt (in der Regel bei CISC) Es gibt für die Computer Hardware keine höhere Sprache Meist wird ein hybrider Ansatz gewählt Man programmiert das meiste in einer High Level Sprache Nur kleine Teile des gesamten Codes werden direkt in Assembler optimiert Nachteil von Assembler Programme laufen nur für den Hardwaretyp für den diese programmiert sind Assembler Code ist im Vergleich zu High Level Sprachen deutlich länger Programmieren dauert deutlich länger Programmieren ist fehleranfälliger (insbesondere wegen fehlender Struktur) Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 5

6 Assembler am Beispiel der MIPS Architektur Frühere Einsatzgebiete MIPS Silicon Graphics Unix Workstations (z. B. SGI Indigo2) Silicon Graphics Unix Server (z. B. SGI Origin2000) DEC Workstations (z.b. DECstation Familie und DECsystem) Siemens bzw. SNI Server der RM Serie Control Data Corporation Computer des Typs CDC 4680 Heutiger Einsatz von MIPS in eingebetteten Systemen Cobalt Server bis RaQ/Qube2 BMW Navigationssysteme die Fritz!Box Satellitenreceiver Dreambox Konica Minolta DSLRs Sony und Nintendo Spielkonsolen Quelle der Liste: de.wikipedia.org/wiki/mips Architektur Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 6

7 Warum gerade MIPS (und nicht Intel x86)? MIPS Instruktionssatz ist klar und einfach (RISC) Sehr gut in Lehrbüchern beschrieben Sehr ähnlich zu vielen modernen Prozessoren (z.b. ARM; schauen wir uns eventuell auch noch kurz an) MIPS ist eine kommerziell relevante Instruktionssatzarchitektur. (z.b wurden fast 100 Millionen MIPS Prozessoren hergestellt) 7 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler

8 Begleitend: SPIM und MARS Simulator Programmieren lernt man nicht durch zuschauen! Alle Konzepte sollte man hier selber ausprobieren! Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 8

9 Arithmetik, Register und Speicherzugriff Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 9

10 Arithmetik und Zuweisungen Einfache Arithmetik mit Zuweisung C Programm: a = b + c; d = a e; MIPS Instruktionen: Komplexere Arithmetik mit Zuweisung C Programm: f = (g + h) (i + j); MIPS Instruktionen (verwende temporäre Variablen t0 und t1): Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 10

11 Die Operanden sind Register Voriges Beispiel: Komplexere Arithmetik mit Zuweisung C Programm: f = (g + h) (i + j); Sei hierbei: g in Register $s1 gespeichert h in Register $s2 gespeichert i in Register $s3 gespeichert j in Register $s4 gespeichert f in Register $s0 gespeichert MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0 und $t1): add $t0, $s1, $s2 # t0=g+h add $t1, $s3, $s4 # t1=i+j sub $s0, $t0, $t1 # f=t0-t1 MIPS Registergröße = 32 Bit Assembler Syntax: Das Zeichen # leitet für den Rest der Zeile einen Kommentar ein. Der Text wird vom Assembler einfach ignoriert. Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 11

12 Speicher Operanden C Programm: g = h + A[8]; MIPS Instruktionen (verwende temporäres Register $t0): Sei hierbei: g in Register $s1 gespeichert h in Register $s2 gespeichert Basisadresse von A in Register $s3 Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 12

13 Alignment Restriction Zugriff auf A[8], wenn Basisadresse von A in Register $s3 gespeichert? Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 13

14 Laden und Speichern C Programm: A[12] = h + A[8]; MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0): Sei hierbei: Basisadresse von A in Register $s3 und h in Register $s2 gespeichert Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 14

15 Laden und Speichern von Bytes C Programm: A[12] = h + A[8]; MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0): Sei hierbei: Basisadresse von A in Register $s3 h in Register $s2 gespeichert Sei A[8] = Was passiert im obigen Beispiel bei lb mit $t0 genau? $t0 MSB LSB Sei A[8] = Was passiert im obigen Beispiel bei lb mit $t0 genau? $t0 MSB LSB Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 15

16 Weitere Befehle zum Laden und Speichern Laden von Byte ohne Sign Extension: lbu { Beispiel: lbu $t0, 27($s3) } Was passiert im obigen Beispiel mit $t0, wenn 27($s3) = ? $t0 MSB LSB Laden von Halfword mit Sign Extension: lh { Beispiel: lh $t0, 22($s3) } Laden von Halfword ohne Sign Extension: lhu { Beispiel: lhu $t0, 22($s3) } Speichern von Halfword: sh { Beispiel: sh $t0, 22($s3) } Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 16

17 Addieren und Laden von Konstanten C Programm: x = x + 4; MIPS Instruktion: Sei hierbei: x in Register $s3 gespeichert MIPS erlaubt negative Konstanten und braucht damit kein subi. MIPS hat ein spezielles Register $zero, welches 0 hart verdrahtet speichert. C Programm: x = 42; MIPS Instruktion: Sei hierbei: x in Register $s3 gespeichert Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 17

18 Zwischenbilanz der MIPS Architektur Memory CPU Arithmetic Unit Registers $0... $31 Name Nummer Verwendung $zero 0 Konstante 0 $at 1 $v0 $v1 2 3 $a0 $a3 4 7 $t0 $t Temporäre Register $s0 $s saved temporäre Reg. $t8 $t Temporäre Register $k0 $k $gp 28 $sp 29 $fp 30 $ra 31 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 18

19 Arithmetik Laden Speichern Zusammenfassung der behandelten Instruktionen Instruktion add rd, rs, rt addi rt, rs, imm sub rd, rs, rt lb rt, address lbu rt, address lh rt, address lhu rt, address lw rt, address sb rt, address sh rt, address sw rt, address Bedeutung Register rd = Register rs + Register rt Register rt = Register rs + Konstante imm Register rd = Register rs Register rt Lade Byte an der Adresse address in Register rt. Das Byte ist sign extended. Lade Byte an der Adresse address in Register rt. Lade Half Word an der Adresse address in Register rt. Das Half Word ist sign extended. Lade Half Word an der Adresse address in Register rt. Lade Word an der Adresse address in Register rt. Speichere unterstes Byte des Registers rt an Adresse address Speichere unteres Half Word des Registers rt an Adresse address Speichere Inhalt des Registers rt an Adresse address. Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 19

20 Quiz addi $s0, $zero, 4 # lw $s1, 0($s0) # lw $s2, 4($s0) # add $s1, $s1, $s1 # add $s1, $s1, $s2 # addi $s1, $s1, 1 # sw $s1, 0($s0) # Inhalt (Word) Inhalt (Word) Adresse Speicher zu Beginn Adresse Speicher nach Instruktionsdurchlauf Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 20

21 Darstellung von Instruktionen Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 21

22 Übersetzung aus Assembler in Maschinensprache Assembler Instruktion add $t0, $s1, $s Bit Opcode Maschinen Instruktion 5 Bit Source1 5 Bit Source2 5 Bit Dest 5 Bit Shamt 6 Bit Funct Name Nr $s0 16 $s1 17 $s2 18 $s3 19 $s4 20 $s5 21 $s6 22 $s7 23 Name Nr $t0 8 $t1 9 $t2 10 $t3 11 $t4 12 $t5 13 $t6 14 $t7 15 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 22

23 Notwendigkeit für andere Instruktionsformate add $t0, $s1, $s2 op rs rt rd shamt funct 6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit R Typ? lw $t0, 32($s3) I Typ Opcode 6 Bit Source 5 Bit Dest 5 Bit Konstante oder Adresse 16 Bit Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 23

24 Zwischenbilanz Instruktion Format op rs rt rd shamt funct add R 0 reg reg reg 0 32 sub R 0 reg reg reg 0 34 addi (immediate) I 8 reg reg constant lw (load word) I 35 reg reg offset sw (store word) I 43 reg reg offset 6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit 16 Bit Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 24

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