1 Lista Rozkazów: Język komputera Większość slajdów do tego wykładu to tłumaczenia i przeróbki oficjalnych sladjów do podręcznika Pattersona i Hennessy’ego

2 Rozkazy – język komputera Lista rozkazów Zestaw rozkazów wykonywanych przez maszynę Komputery mają różne listy rozkazów Ale z wieloma wspólnymi cechami Dawne komputery miały proste listy rozkazów Łatwa implementacja sprzętowa Współczesne maszyny mają zazwyczaj również proste listy rozkazów

3 Rozkazy – język komputera Lista rozkazów MIPS Nasza modelowa architektura Głównie komputery wbudowane Urządzenie elektroniczne, aparaty, drukarki, urządzenia sieciowe i magazynujące Typowy przykład współczesnych architektur list rozkazów (Instruction Set Architecture, ISA)

4 Rozkazy – język komputera Operacje arytmetyczne Dodawanie i odejmowanie Dwa argumenty źródłowe, wynik add a, b, c # a := b + c Większość operacji arytmetycznych i logicznych jest tej postaci Jednolitość i regularność rozkazów Ułatwia implementację Większa wydajność w niewielkim koszcie

5 Rozkazy – język komputera Przykład Kod w języku C: f = (g + h) - (i + j); Kod MIPS: add t0, g, h # temp t0 := g + h add t1, i, j # temp t1 := i + j sub f, t0, t1 # f := t0 - t1

6 Rozkazy – język komputera Rejestry Rozkazy arytmetyczne działają na rejestrach MIPS ma zestaw 32 rejestrów 32-bitowych ogólnego przeznaczenia Przechowują najczęściej używane dane Numerowane od 0 do 31 32-bitowe dane nazywamy słowami Nazwy rejestrów i konwencja ich użycia $t0, $t1, …, $t9 – przechowują tymczasowe dane $s0, $s1, …, $s7 – przechowują zmienne Inne: o nich później Operacje na rejestrach są szybsze niż na pamięci

7 Rozkazy – język komputera Przykład Kod w C: f = (g + h) - (i + j); f, …, j w $s0, …, $s4 Kod MIPS: add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1

8 Rozkazy – język komputera Operacje na pamięci Pamięć główna przechowuje zazwyczaj złożone dane: tablice, strukury, dane dynamiczne Operacje arytmetyczne wymagają: Załadowanie danych z pamięci do rejestru Zapisania wyniku do pamięci Pamięć adresowana jest bajtowo Każdy adres wskazuje na 8-bitowy bajt Słowa w pamięci ułożone z wyrównaniem 4-bajt. Adres słowa jest wielokrotnością 4 MIPS działa jako Big Endian Najbardziej znaczący bajt słowa ma najniższy adres Little Endian: najniższy adres: najmniej znaczący bajt

9 Rozkazy – język komputera Operacje na pamięci Kod w C: g = h + A[8]; g w $s1, h w $s2, adres bazowy A w $s3 Kod MIPS: Indeks 8 – przesunięcie adresu o 32=4*8 4 bajty na słowo! lw $t0, 32($s3) # load word add $s1, $s2, $t0 offset base register

10 Rozkazy – język komputera Operacje na pamięci Kod w C: A[12] = h + A[8]; h w $s2, adres bazowy A w $s3 Kod MIPS: lw $t0, 32($s3) # load word add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 48($s3) # store word Co w przypadku A[i]?

11 Rozkazy – język komputera Rejestry a pamięć główna Szybszy dostęp do rejestrów Operacje na pamięci wymagają load i store Więcej rozkazów musi być wykonanych Komilatory starają się używać rejestrów jak najczęściej W pamięci tylko najrzadziej używane zmienne Optymalizacja rejestrowa

12 Rozkazy – język komputera Argumenty natychmiastowe Niektóre rozkazy potrafią działać na stałych (arg. natychmiastowe, ang. immediate) addi $s3, $s3, 4 Nie ma rozkazu odejmowania stałej, ale można użyć: addi $s2, $s1, -1 Rozkazy ze stałymi są wygodne Stałe 16-bitowe – wymagana sprzętowa konwersja do 32 bitów

13 Rozkazy – język komputera Stała zero Rejestr 0 ($zero) zawiera stałą 0 i nie może być modyfikowany Wygodne w wielu zastosowaniach Np. kopiowanie zawartości rejestru (nie ma osobnego rozkazu move): add $t2, $s1, $zero

14 Rozkazy – język komputera Reprezentacja rozkazów Rozkazy kodowane są binarnie Kod maszynowy Rozkazy MIPS: Kodowane jako 32-bitowe słowa Niewielki zestaw formatów rozkazów Regularność Numery rejestrów $t0 – $t7 to rejestry 8 – 15 $t8 – $t9 to rejestry 24 – 25 $s0 – $s7 to rejestry 16 – 23

15 Rozkazy – język komputera Rozkazy typu R (Register) Pola rozkazu: op: kod operacji (opcode) rs: numer pierwszego rejestru źródłowego rt: numer drugiego rejestru źródłowego rd: numer rejestru wynikowego shamt: shift amount (00000 na razie) funct: kod funkcji (precyzuje opcode) oprsrtrdshamtfunct 6 bitów 5 bitów

16 Rozkazy – język komputera Przykład rozkazu typu R add $t0, $s1, $s2 special$s1$s2$t00add 017188032 00000010001100100100000000100000 00000010001100100100000000100000 2 = 02324020 16 oprsrtrdshamtfunct 6 bits 5 bits

17 Rozkazy – język komputera Rozkazy typu I Rozkazy ze stałymi oraz load i store rt: rejestr wynikowy lub źródłowy Stała w reprezentacji uzup. do 2: –2 15 to +2 15 – 1 Adres: przesunięcie dodawane do adr. bazowego rs Dobrze zaprojektowana lista rozkazów wymaga kompromisów Różne formaty komplikują dekodowanie rozkazów, ale pozwalają utrzymać stałą 32-bitową długość rozkazu Formaty maksymalnie proste oprsrtStała lub adres 6 bits5 bits 16 bits

18 Rozkazy – język komputera Program w pamięci Rozkazy reprezentowane binarnie tak jak dane Rozkazy i dane przechowywane w pamięci Programy mogą działajać na programach Np. kompilatory The BIG Picture

19 Rozkazy – język komputera Rozkazy logiczne Rozkazy manipulujące bitami w słowach OperacjaCJavaMIPS Shift left>>>> srl Bitowy AND&& and, andi Bitowy OR|| or, ori Bitowy NOT~~ nor

20 Rozkazy – język komputera Rozkazy przesuwające (typ R) Shamt: o ile pozycji przesunąć Przesunięcie logiczne w lewo Przesuwa bity w lewo, dopisując zera Sll o i bitów to mnożenie przez 2 i Np. Sll $s1, $s2, 2 (zdaje się, że na wykładzie powiedziałem z rozpędu, że ten rozkaz ma trzy parametry rejestrowe; to nieprawda: nie wykorzystuje on pola rs; trójrejestrowa wersja tego rozkazu to sllv – która nie wykorzystuje pola shamt) Przesunięcie logiczne w prawo Przesuwa bity w prawo, dopisując zera Srl o i bitów dzieli przez 2 i (tylko dla liczb bez znaku) oprsrtrdshamtfunct 6 bits 5 bits

21 Rozkazy – język komputera Rozkaz AND Wygodne przy zerowaniu pewnych bitów bez zmiany pozostałych and $t0, $t1, $t2 0000 0000 0000 0000 0000 1101 1100 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1100 0000 0000 $t2 $t1 0000 0000 0000 0000 0000 1100 0000 0000 $t0

22 Rozkazy – język komputera Rozkaz OR Wygodne przy ustawianiu pewnych bitów na 1 bez zmiany pozostałych or $t0, $t1, $t2 0000 0000 0000 0000 0000 1101 1100 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1100 0000 0000 $t2 $t1 0000 0000 0000 0000 0011 1101 1100 0000 $t0

23 Rozkazy – język komputera Rozkaz NOR Można go użyć do odwrócenia bitów słowa zamina 0 na 1, a 1 na 0 (NOR $s1, $s1, $s1) MIPS ma 3-argumentowy rozkaz NOR (a nie ma NOT) a NOR b == NOT ( a OR b ) nor $t0, $t1, $zero 0000 0000 0000 0000 0011 1100 0000 0000 $t1 1111 1111 1111 1111 1100 0011 1111 1111 $t0 Register 0: always read as zero

24 Rozkazy – język komputera Skoki warunkowe Skok do rozkazu poprzedzonego etykietą jeśli warunek jest prawdziwy Wpp. wykonuj kolejny rozkaz beq rs, rt, L1 jeśli (rs == rt) skocz do rozkazu etyk. L1; bne rs, rt, L1 jeśli (rs != rt) skocz do rozkazu o etyk. L1; j L1 bezwarunkowo skocz do L1

25 Rozkazy – język komputera Przekład IF na MIPS Kod C: if (i==j) f = g+h; else f = g-h; f, g, … w $s0, $s1, … Kod MIPS: bne $s3, $s4, Else add $s0, $s1, $s2 j Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 Exit: … Asembler wylicza adres

26 Rozkazy – język komputera Pętle Kod C: while (save[i] == k) i += 1; i w $s3, k w $s5, adres save w $s6 Kod MIPS: Loop: sll $t1, $s3, 2 add $t1, $t1, $s6 lw $t0, 0($t1) bne $t0, $s5, Exit addi $s3, $s3, 1 j Loop Exit: …

27 Rozkazy – język komputera Inne rozkazy warunkowe Ustaw 1 jeśli warunek prawdziwy W przeciwnym wypadku ustaw 0 slt rd, rs, rt if (rs < rt) rd = 1; else rd = 0; slti rt, rs, constant if (rs < constant) rt = 1; else rt = 0; Używane zazwyczaj razem z beq, bne slt $t0, $s1, $s2 # if ($s1 < $s2) bne $t0, $zero, L # branch to L

28 Rozkazy – język komputera Uwagi o skokach Dlaczego nie ma blt, bge, …? Sprawdzienie

29 Rozkazy – język komputera Liczby ze znakiem i bez Uzupełnień do 2: slt, slti Bez znaku (nat. kod bin.): sltu, sltui Przykład $s0 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 $s1 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 slt $t0, $s0, $s1 –1 < +1  $t0 = 1 sltu $t0, $s0, $s1 +4,294,967,295 > +1  $t0 = 0

30 Rozkazy – język komputera 0000 0000 0111 1101 0000 0000 0000 0000 Stałe 32-bitowe Większość stałych jest mała 16-bitowe stałe wystarczają Czasem potrzeba stałej 32-bitowej lui rt, constant Wstawia 16-bitową stałą do bardziej znaczącej części rejestru rt Pozostałe bity rejestru ustawia na 0 lui $s0, 61 0000 0000 0111 1101 0000 1001 0000 0000 ori $s0, $s0, 2304

31 Rozkazy – język komputera Adresy w skokach branch Rozkaz skoku (typ I) Opcode, dwa rejestry, adres skoku Zazwyczaj potrzebna,,krótkie skoki’’ do przodu lub do tyłu oprsrtconstant or address 6 bits5 bits 16 bits Adresowanie względem PC Adres skoku = PC + offset × 4 PC zwiększony o 4 przed obliczeniem adr.

32 Rozkazy – język komputera Adresy w skokach Jump Skoki bezwarunkowe ( j, jal – ten drugi poznamy wkrótce ) skaczą,,daleko’’ Pełny adres zakodowany w rozkazie opaddress 6 bits 26 bits Adresowanie (pseudo)bezpośrednie: Adres docelowy = PC 31…28 : (address × 4)

33 Rozkazy – język komputera Przykład adresowania Pętla z jednego z przykładów Zakładamy, że Loop etykietuje 80000 Loop: sll $t1, $s3, 2 800000019940 add $t1, $t1, $s6 8000409229032 lw $t0, 0($t1) 8000835980 bne $t0, $s5, Exit 8001258212 addi $s3, $s3, 1 80016819 1 j Loop 80020220000 Exit: … 80024

34 Rozkazy – język komputera Dalekie,,branche’’ Jeśli adres docelowy jest daleki asembler przeorganizuje kod. Przykład: beq $s0,$s1, L1 ↓ bne $s0,$s1, L2 j L1 L2:…

35 Rozkazy – język komputera Tryby adresowania MIPS

36 Rozkazy – język komputera Symulator SPIM Symulator architektury MIPS-32 http://pages.cs.wisc.edu/~larus/spim.html

37 Rozkazy – język komputera Przykład kodu dla SPIM-a # Dodawanie elementow tablicy (przyklad zaczerpniety z #,,Krotkiego wprowadzenia do SPIM-a'' autorstwa Salah A. Almajdouba.text.align 2.globl main main: lw $s0, Size # czyta rozmiar tablicy li $s1, 0 # indeks i li $s2, 0 # s2 bedzie przechowywac sume li $t2, 4 # t2 zawiera stala 4 loop: mul $t1, $s1, $t2 # t1 dostaje i * 4 lw $s3, Nstart($t1) # s3 = N[i] add $s2, $s2, $s3 # sum = sum + N[i] addi $s1, $s1, 1 # i = i + 1 beq $s1, $s0, STOR # skaczemy do STOR na koniec j loop STOR: sw $s2, Result # wynik zachowujemy w Result.data.align 2 Nstart:.word 8, 25, -5, 55, 33, 12, -78 Size:.word 7 Result:.word 0

38 Rozkazy – język komputera Uwagi do kodu Dyrektywa.text oznacza, że kolejne dane należy umieszczać w segmencie programu Dyrektywa.date oznacza, że kolejne dane należy umieszczać w segmencie danych Dyrektwya.align 2 nakazuje umieszczać dane z wyrównaniem do 2^2.word każe umieszczać kolejne dane na 4 bajtach (jest też dyrektywa.byte).globl mówi, że symbol jest globalny (widzialny z innych plików) li (load immediate} nie jest rozkazem, a tzw. pseudorozkazem -- podczas tłumaczenia na kod maszynowy przekładane jest na ciąg rozkazów (lub czasem pojedynczy rozkaz). Np. li $s0, 4 przekładane jest na ori $s0, $zero, 4. Podobnie pseudorozkazem jest mul. Pseudorozkaz mul $s1, $s2, $s3 zostanie przełożony na mult $s2, $s3, mflo $s1. Rozkaz mul umieszcza bardziej znaczącą część wyniku w specjalnym rejestrze HI, mniej znaczącą w rejestrze LO. Rozkaz mflo $s1 kopiuje zawartość LO do rejestru $s1. Konstrukcja lw $s3, Nstart($t1) rówznież nie jest tutaj pojedynczym rozkazem maszynowym; powodem jest występienie etykiety Nstart jako przesunięcia Podobnie jest z pierwszym rozkazem lw $s0, Size, który tłumaczony jest na: lui $1, 4097, lw $16, 28($1); rejestr $1 ($at) to specjalny rejestr używany przez asembler do przekładu pseudorozkazów na,,prawdziwe’’ rozkazy. W tym przykładzie użyta jest nieco inna filozofia odwołań do pól tablicy niż w przykładzie wcześniejszym: stała w odwołaniu lw $s3, Nstart($t1) oznacza początek tablicy, a rejstr -- przesunięcie.