Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Memory Map, Stack, Prozeduraufruf, Calling Convent.

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1 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Memory Map, Stack, Prozeduraufruf, Calling Convent. 19. Oktober 2012 Prof. Dr. Christian Tschudin Departement Mathematik und Informatik, Universität Basel Wiederholung / Diskussion 1. Wie hängen Wort- und Adressgrösse zusammen? Bsp: Ein x86-prozessor hat 32-Bits Worte und 32-Bits-Adressen. Der AVR-µPRozessor hat 8-Bits-Worte: wieviele Adress-Bits? 2. Warum gibt es beim AVR-Prozessor keinen Befehl inc <memoryaddr>? 3. Was sind Adressierungsmodi einer CPU? 4. Welchen Inhalt hat beim AVR-Prozessor die Speicherzelle, auf die der Stackpointer (SP) zeigt? c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 2/37

2 Uebersicht Memory Map Stack Verwendung des Stacks für Prozeduraufruf: calling conventions I/O (input/output): Peripheriegeräte und Bus Assemblerinstruktionen für I/O c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 3/37 Speicheradressen des Datensegments (Memory Map) 0x0100 0x10ff Stack 4096 Hauptspeicher Zellen (SRAM) 0x0060 0x00ff 0x0020 0x005f 0x0000 0x001f 8 Bits 160 "extended IO" Registers 64 "Input/Output" Register 32 "general purpose" Register c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 4/37

3 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 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 5/37 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 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 6/37

4 Exkurs: Postfix-Notation funktioniert auch für Code C: if ( test(a) ) { stmt1; } else { stmt2; } Umsetzung in Postfixnotation (PostScript) a % push a test % call: Funktion wird Resultat auf dem Stack lassen { stmt1 } % dies setzt einen Codeblock auf den Stack { stmt2 } % dies setzt einen Codeblock auf den Stack ifelse % erwartet 3 Argumente auf dem Stack, führt einen % der Codeblocks aus gemäss 3. Wert auf Stack Vorteil: keine Labels nötig c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 7/37 Postfix-Order abarbeiten (mit Register) infix: a + b * c + (d * e + f) * g postfix: a b c * + d e * f + g * + Initialisiere Stack DO Lese Postfix-Ausdruck Symbol für Symbol IF nächstes Symbol ein Operand THEN push Operand IF nächstes Symbol ein Operator THEN pop von zwei Operanden vom Stack (z.b. in Register) wende Operator an push des Resultats FI OD Schlussresultat auf dem Stack c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 8/37

5 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) * * a b c d e f g dabei Operator (eines Knotens) am Schluss ausgeben. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 9/37 Subroutinen s1: call s1 nop ret Code an Adresse s1 soll mehrfach verwendet werden können. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 10/37

6 (r)call und ret: Stack für Rücksprung-Adresse nutzen call: legt das Wort PC + 1 auf den Stack, SP (Stack-Ptr) wird um 2 verkleinert (post-decrement) setzt PC (Prog-Counter) auf die Adresse der Subroutine ret: erhöhe SP um 2 (pre-increment) ersetzt PC mit Stackwort, auf den SP zeigt rcall S1... S1:... Code von S1... ret c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 11/37 Prozedur-Aufruf Beispiel mit max() C: void max() { if (r1 > r2) r3 = r1; else r3 = r2; } max: cp r2, r1 ; Prozedur max() brge L1 mov r3, r1 rjmp L2 L1: mov r3, r2 L2: ret... main: rcall max ; Prozeduraufruf c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 12/37

7 Prozedur-Aufruf ohne Stackpointer! Rücksprung-Adresse muss nicht auf dem Stack abgelegt werden. Statt rcall max (mit impliziter Benutzung des Stacks): Rücksprungadresse in Reg (oder Hauptspeicher) ablegen. Beispiel mit Register Z (r30:r31) max: cp r2, r1... L2: ijmp ; indirect Jump: benutzt Inhalt von Reg Z main: ldi r30, LOW(next) ldi r31, HIGH(next) rjmp max next:... ; statt rcall c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 13/37 Prozedur-Aufruf ohne Stackpointer! (Forts) 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 möglich) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 14/37

8 Parameter-Uebergabe für Prozeduren/Funktion C: int max(int a, int b) { return a > b? a : b } Aehnliche Diskussion wie bei Rücksprungadresse: Ein-/ausgehende Werte: Stapel, Register oder Hauptspeicher? Praxis: a) einfache Param/Funktionswerte (z.b. int) via Register b) Liste von Eingabeparameter auf dem Stack übergeben Beispiel: ldi r24, 5 clr r25 rcall max mov r18, r24 ; Konvention: r24:r25 für 16-Bit Resultate c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 15/37 Parameter-Uebergabe Weitere Anforderungen 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 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 16/37

9 Stack Frame (C-Stil) Framepointer Stackpointer Param N Param N 1... Param 1 Rücksprungadresse alter Framepointer lokale Variablen alte Reg Werte Zwischenwerte "callee frame" "caller frame" Stackpointer für: Zwischenwerte, Rücksprungadresse Framepointer (FP) FP erlaubt Zugriff auf Parameter, sowie lokale Variablen mit (bekanntem) relativem Offset c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 17/37 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. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 18/37

10 Funktionsaufruf und Parameter-Uebergabe Ablauf beim Caller : Arbeitsregister sichern soviel Parameter wie möglich in Register, sonst Stack Rücksprungadresse sichern, Aufruf Ergebniss aus dem r24:r25 Register lesen Ablauf beim Callee : Prolog: FP sicher, Param kopieren, neuer FP+SP, Reg sichern Code abarbeiten Resultat in richtige Register schieben Epilog: Reg restaurieren, FP zurücksetzen, Stack räumen c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 19/37 Beispiel für Framepointer-Verwendung C: fct() { char a;... } AVR-Konvention: Y-Register (r28:r29) als Frame Pointer AVR-Konvention: Framepointer zeigt auf unterste lokale Variable push r29 ; sichere alten Framepointer push r29 in r28, SP_L ; low Byte des Stackpointers in r29, SP_H ; high Byte sbiw r28, 1 ; erniedrige SP-Wert um 1 (für a ): FP-Wert!... ; Register-Param kopieren und SP neu setzen Bemerkung: SP wird durch eine IO-Operation gelesen, siehe IO c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 20/37

11 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 Aufruf (um Assembler-Code zu generieren, liegt in test.s vor): /opt/cdk4avr/bin/avr-gcc -S test.c c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 21/37 Beispiel main() { unsigned char a; a = 5; return 10 * a; } main: /* prologue: frame size=1 */ ldi r28,lo8( stack - 1) ldi r29,hi8( stack - 1) out SP_H,r29 out SP_L,r28 /* prologue end (size=4) */ ldi r24,lo8(5) std Y+1,r24 ldd r24,y+1 mov r18,r24 clr r19 mov r25,r19 mov r24,r18 ; --> Forsetzung rechte Spalte lsl r24 rol r25 lsl r24 rol r25 lsl r24 rol r25 add r24,r18 adc r25,r19 add r18,r24 adc r19,r25 mov r25,r19 mov r24,r18 /* epilogue: frame size=1 */ rjmp exit /* epilogue end (size=1) */ c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 22/37

12 Beispiel main() { unsigned char a; a=5; return 10*a; } (Forts.) Der Compiler, das unbekannte Wesen... Zuerst % avr-gcc -S test.c Dann % avr-gcc -O9 -S test.c ausführen und jeweils test.s anschauen c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 23/37 Peripherie-Bausteine Bisher gesehen: CPU Cache Daten- und Adress-Bus (externer) Speicher Wie wird eine CPU mit der externen Welt verbunden? Maus, Tastatur, Bidlschirm Hard Disk Netzwerk Ein-/Ausgabegeräte (I/O devices, IO=input/output) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 24/37

13 Ein-Ausgabegeräte Ein-Ausgabegeräte brauchen Daten-, Adress- und Kontrollleitungen Adresse: selektiert das Gerät, welche Datenbereiche Daten: Ein-/Ausgabe von Daten zum Prozessor/zum Speicher Kontrolle: um den Datenaustausch zu steuern (Zeitpunkt, Handshake) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 25/37 Peripherie-Elektronik Peripherie umfasst: Bus adapter: verbindet ein Gerät mit dem/einem Computer-Bus erkennt CPU-Befehle puffert Daten Gerätespezifische Elektronik Sensoren, Aktuatoren elektrische Signalübersetzung/anpassung ev auch komplexe Kontrolleinheit (eigene µc für HD) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 26/37

14 Kommunikation zwischen CPU und Peripherie Direct (programmed) I/O (programmierte Ein-/Ausgabe) CPU legt spezielle Befehle auf den Bus read/write für Ports ein Port selektiert das I/O-Geräte Port-Befehle werden von der Geräte-Elektronik erkannt, diese wird dann antworten (statt zb der Speicher-Chip) Beispiele: Lese ein Byte von I/O-Port 0x2f8 Schreibe ein 32-Bit-Wort an Port 0x400 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 27/37 Kommunikation zwischen CPU und Peripherie (II) Memory mapped I/O: Bus-Adapter des Geräts sieht wie Speicher aus CPU setzt gewöhnliche Lese/Schreib-Operationen ein (Speicher-) Adresse selektiert das Gerät I/O read/write-befehle sind auf Speicheroperationen abgebildet Beispiel: schreibe 2 KB in den Videospeicher neuer Bildschirminhalt c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 28/37

15 Kommunikation zwischen CPU und Peripherie (III) Direct memory access (DMA) : CPU initialisiert den Transfer nur: Daten gehen direkt vom Speicher zur Peripherie, DMA generiert Adressen DMA wickelt Transfer ab, CPU arbeitet parallel weiter. DMA ist eine Art Co-Prozessor für Speicherkopieren. addr bus CPU init DMA IO device memory data bus c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 29/37 Versch. Bus-Architekturen c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 30/37

16 Verschiedene Bus-Architekturen (II) Memory Processor Bus: schnell kurz ev CPU-spezifisch Backplane Bus: erweiterbar für ein oder mehrere Peripheriegeräte standardisiertes elektrisches Interface standardisiertes Datenaustausch-Protokoll c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 31/37 Beispiel eines I/O-Gerätes: Serieller Port UART = universal asynchronous receiver/transmitter CPU schreibt ein Byte (liegt parallel an), serieller Port muss es Bit für Bit aussenden Zu bestimmende Parameter: Bit-Geschwindigkeit Kodierung Kontrolleitungen (Modem ready, clear-to-send etc) UART empfängt auch die Bits: muss ein Bit nach dem anderen speichern und als ein komplettes Byte der CPU anbieten c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 32/37

17 Serieller Port (Forts.) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 33/37 2tes Beispiel eines IO-Gerätes: Hard Drive Mögliche Harddrive-Befehle: Lese+Schreibarm auf spezifischem Zylinder positionieren Abfrage der aktuellen Arm-Position Lesen und Schreiben von Datensektoren Abfragen der physikalischen Charakteristiken # Tracks, Modellname, Hersteller, etc. Low-level-Test starten c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 34/37

18 I/O beim AVR Chip I/O-Bausteine auf dem µc-chip integriert! Total 53 I/O-Leitungen, mit zum Teil mehrfachen Funktionen (entweder Digital-Port, Analog-Port, Daten- oder Adressleitung etc) PORTA bis PORTF: sechs 8-Bit Ports jeweils 3 Register pro Port A F: DDRA..DDRF (Data Direction Register): Ein- oder Ausgang? PORTA..PORTF (Port Data): Output PINA..PINF (Port Input) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 35/37 I/O beim AVR Chip: Memory Mapped Ports + Register Die meisten Ports sind auch via Register/Memory zugreifbar, und umgekehrt sind spezielle Register via Ports veränderbar. port mem name... $3E ($5E) SPH (stack pointer high) $3D ($5D) SPL (stack pointer low)... $03 ($23) PORTE $02 ($22) DDRE $01 ($21) PINE Deshalb: Stack-Pointer lesen mit in r28, 0x3d in r29, 0x3e c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 36/37

19 Speicheradressen des Datensegments (Memory Map) 0x0100 0x10ff Stack 4096 Hauptspeicher Zellen (SRAM) 0x0060 0x00ff 0x0020 0x005f 0x0000 0x001f 8 Bits 160 "extended IO" Registers 64 "Input/Output" Register 32 "general purpose" Register c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 37/37