Arquitectura de Computadores y laboratorio Clase 15: Arquitectura MIPS Pt.3. Departamento de Ingeniería de Sistemas Universidad de Antioquia

Transcripción

1 Arquitectura de Computadores y laboratorio Clase 15: Arquitectura MIPS Pt.3 Departamento de Ingeniería de Sistemas Universidad de Antioquia

2 Instrucciones de control de flujo Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) Ejemplo: Compilación de la estructura if then else if (i==j) f=g+h; else f=g-h; Supongamos que el compilador asocia las variables f a j con los registros $s0 a $s4, respectivamente bne $s3, $s4, Else # va a Else si i j add $s0, $s1, $s2 # f=g+h (no ejecutada si i j) j Exit # va a Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 # f=g-h (no ejecutada si i==j) Exit: El ensamblador calcula las direcciones correspondientes para crear el código de máquina 2

3 Instrucciones de control de flujo Ejemplo: Compilación de un bucle while while (vector[i]==k) i+=1; Supongamos que el compilador asocia las variables i y k con los registros $s3 y $s5, y la base de vector está en $s6 Loop: sll $t1, $s3, 2 # reg. temp. $t1=4*i add $t1, $t1, $s6 # $t1 = dirección vector[i] lw $t0, 0($t1) # reg. temp. $t0 = vector[i] bne $t0, $s5, Exit # va a Exit si vector[i] k addi $s3, $s3, 1 # i = i+1 j Loop # va a Loop Exit: 3

4 Instrucciones de control de flujo Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) Las pruebas de igualdad y desigualdad son muy comunes (beq, bne) También es útil saber si una variable es menor que otra (como cuando en un bucle se compara el índice de iteración) La instrucción MIPS que lo hace es set on less than Significado: slt rd, rs, rt El registro rd se pone a 1 si el valor en el registro rs es menor que el valor en el registro rt De lo contrario, rd se pone a cero 4

5 Instrucciones de control de flujo Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) La instrucción es set on less than (slt) sigue el formato R 0 rs rt rd 0 42 opcode shamt funct Variante de la instrucción: Set on less than unsigned sltu rd, rs, rt # if (rs < rt) # rd = 1; # else # rd = 0; 5

6 Instrucciones de control de flujo Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) Como las comparaciones con valores constantes son muy comunes, existe una versión de la instrucción set on less than con direccionamiento inmediato slti rt, rs, constant # if (rs < constant) # rt = 1; # else # rt = 0; También existe otra versión para valores sin signo: sltiu Para comparar con cero: emplear el registro $zero No hay instrucciones MIPS de salto con condiciones <,, >, porque harían más complejo el HW Demandarían aumentar el ciclo de reloj (penalizando todas las instrucciones) Compromiso de diseño: incluir sólo beq y bne, los casos más comunes 6

7 Instrucciones de control de flujo Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) Un compilador del MIPS emplea las instrucciones slt, beq y bne, además del registro $zero para crear otras estructuras condicionales Salte si es menor que (branch if less than): blt $s1, $s2, Label Label: slt $at, $s1, $s2 # $at set to 1 if $s1 < $s2 bne $at, $zero, Label Menor o igual que (less than or equal to) : ble $s1, $s2, Label Mayor que (greater than) : bgt $s1, $s2, Label Mayor o igual que (great than or equal to): bge $s1, $s2, Label Estas instrucciones de salto se suelen incluir en el conjunto de instrucciones comopseudo instrucciones i (reconocidas y expandidas por el ensamblador) A esto se debe que el ensamblador requiera de un registro reservado ($at, registro #1 del banco) 7

8 Instrucciones para transferencia de bytes y medias palabras ab as (halfwords) af ods) MIPS posee instrucciones para mover bytes y medias palabras Útiles para programas de procesamiento de texto lb rt, offset(rs) lh rt, offset(rs) # Carga en los 8 LSBits de rt un byte # Carga en los 16 LSBits de rt media palabra # El valor cargado es extendido en signo # a 32 bits en rt lbu rt, offset(rs) lhu rt, offset(rs) # Carga en los 8 LSBits de rt un byte # Carga en los 16 LSBits de rt media palabra # El valor cargado es extendido con 0 s # a 32 bits en rt sb rt, offset(rs) sh rt, offset(rs) # Almacena los 8 LSBits de rt en Memoria # Almacena los 16 LSBits de rt en Memoria 8

9 Operandos inmediatos de 32 bits Algunas veces las constantes a emplear no se pueden representar en el campo de 16 bits del formato I MIPS incluye una instrucción (load upper immediate, lui) para cargar los 16 bits superiores de un registro con una constante (formato I) Mediante otra instrucción posterior es posible ajustar los 16 bits inferiores del registro para conformar una constante de 32 bits Código de máquina lui $t0, 0xAAAA $t ori $t0, $t0, 0xFFFF constante $t

10 Saltos condicionales de mayor alcance Qué pasa si el destino del salto está más allá de lo que permiten 16 bits? Dado un salto condicionado por la igualdad de los registros $s0 y $s1 beq L1: $s0, $s1, L1 Para lograr un salto de mayor alcance, se introduce un salto incondicional (jump) al destino inicial del salto, y se invierte la condición a evaluar: bne j L2: L1: $s0, $s1, L2 L1 10

11 Instrucciones para el uso de procedimientos Los procedimientos permiten una programación estructurada (facilitan el desarrollo, la comprensión, la fiabilidad y la reutilización de los programas) Son bloques de código independientes que interactúan con el resto del código mediante el paso de parámetros y la entrega de resultados Instrucción MIPS para invocar un procedimiento: jal (jump and link) jal ProcAddress Salta a la dirección asociada con la etiqueta ProcAddress y simultáneamente guarda la dirección de la instrucción consecutiva en $ra Formato J 3 Target address opcode Instrucción MIPS para retorno de procedimiento: jr (jump register) Formato R jr $ra opcode rs funct 11

12 Pasos en la ejecución de un procedimiento 1. La rutina principal (caller) ubica los parámetros donde el procedimiento (callee) pueda acceder a ellos $a0-$a3: Registros de argumentos. Se usan para el paso de parámetros 2. La rutina principal p transfiere el control al procedimiento 3. El procedimiento reserva los recursos de almacenamiento necesarios 4. El procedimiento ejecuta la tarea deseada 5. El procedimiento ubica los resultados en un lugar donde la rutina principal pueda acceder a ellos $v0-$v1: Registros de valores. Se usan para retornar los resultados 6. El procedimiento libera los recursos de almacenamiento que había reservado 7. El procedimiento devuelve el control a la rutina principal $ra: Registro de dirección de retorno. Se usa para retornar al punto de origen 12

13 Volcado de registros (Spilling registers) Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) Qué sucede si el procedimiento requiere más registros de los dedicados al paso de argumentos y resultados? El procedimiento i debe hacer uso de la pila (stack) para guardar y restaurar los registros empleados por él mismo Stack: estructura de datos Last in first out (LIFO) que reside en memoria El registro $sp (registro #29 del banco) se emplea para direccionar el stack El stack crece de las direcciones superiores a las inferiores high address top of stack $sp Llevar eauna apalabra ab a al stack: PUSH $sp = $sp 4 La palabra se lleva al stack en el nuevo $sp Recuperar una palabra del stack: POP Se toma la palabra del stack en $sp $sp = $sp + 4 low address 13

14 Convención para el uso de los registros MIPS Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) 14

15 Procedimiento que no invoca otro procedimiento Ejemplo: Compilación de una función escrita en C int proc (int g, h, i, j) { int f; f = (g + h) - (i + j); return f; } Asumir: Argumentos g, h, i, j en $a0,, $a3 Variable f en $s0 Resultado en $v0 Seguir la convención de usos de registros MIPS 15

16 Procedimiento que no invoca otro procedimiento Solución: Código MIPS proc: addi $sp, $sp, -4 # reserva espacio en stack sw $s0, 0($sp) # $s0 al stack add $t0, $a0, $a1 # add $t1, $a2, $a3 # cuerpo del procedimiento sub $s0, $t0, $t1 # add $v0, $s0, $zero # paso del resultado en $v0 lw $s0, 0($sp) # restauración de $s0 addi $sp, $sp, 4 # libera espacio en stack jr $ra # retorno Stack antes, durante y después de la llamada al procedimiento 16

17 Procedimientos anidados (y recursivos) Para el anidado de llamadas, quien invoca (caller) necesita guardar en el stack: Todos los registros de argumentos ($a0-$a3) y temporales ($t0-$t9) que pueda necesitar después de la llamada El procedimiento (callee) necesita guardar en el stack: Su dirección de retorno Todos los registros tipo saved ($s0-$s7) empleados por él mismo El stack se ajusta para dar cuenta de los registros volcados al stack Antes del retorno se recuperan los registros y reajusta el stack Ejemplo clásico: int fact(int n){ if (n < 1) return 1; else return (n * fact(n-1)); } 17

18 Datos locales en el stack El stack también se emplea para almacenar variables locales de los procedimientos que no caben en el banco de registros (vectores, estructuras locales) El segmento del stack que contiene los registros volcados y las variables locales de un procedimiento se denomina procedure frame o activation record El registro frame pointer ($fp) apunta a la primera palabra del marco del procedimiento $fp proporciona un registro base estable para las referencias a variables ibl localesl en el procedimiento (debido a que el registro $sp puede cambiar durante la ejecución del procedimiento) high address Saved argument regs (if any) Saved return address Saved local regs (if any) Local arrays & structures (if any) $fp $sp low address 18

19 Mapa de memoria MIPS Parte inferior de la memoria: reservada Text segment: código de programa Static data: variables globales y static Vectores constantes, strings Dynamic data: heap Para estructuras que crecen y se contraen durante la ejecución (listas enlazadas) En C, malloc() reserva espacio en memoria, free() lo libera Las direcciones indicadas son una convención para el desarrollo de sofware y no hacen parte de la arquitectura MIPS 19

20 Modos de direccionamiento Direccionamiento de registros El operando está en un registro Direccionamiento i i inmediato El operando es una constante (16 bits) dentro de la instrucción misma Extensión de signo 20

21 Modos de direccionamiento Direccionamiento con desplazamiento (o con registro base) El operando está en una posición de memoria cuya dirección es la suma de un registro y una constante en la instrucción Direccionamiento relativo al PC La dirección de destino es la suma del PC y una constante en la instrucción Target address = (PC + 4) + Offset 4 21

22 Modos de direccionamiento Direccionamiento pseudo directo La dirección de destino del salto está formada por el campo de 26 bits concatenado con los bits más significativos del PC Target address = (PC+4)[31..28] : (Address 4) 22

23 Modos de direccionamiento Ejemplo: Suponiendo que la etiqueta Loop está asociada con la posición 0x de memoria, cuál es el código de máquina para este bucle? Loop: sll $t1, $s3, 2 0x add $t1, $t1, $s6 lw $t0, 0($t1) bne $t0, $s5, Exit addi $s3, $s3, 1 j Loop Exit: 0x x x c x x x Direcciones en hexadecimal Campos en decimal 23

24 Resumen: Formatos de instrucción MIPS Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) 24

25 Resumen: Lenguaje ensamblador MIPS Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) 25

26 Distribución de los tipos de instrucción MIPS Arquitectura de Computadores y laboratorio (2011-2) La frecuencia de los diferentes tipos de instrucciones MIPS se obtienen mediante la ejecución de programas estándar para la evaluación del rendimiento Hacer el caso común rápido Compromisos de diseño Instruction class MIPS examples SPEC2006 Int SPEC2006 FP Arithmetic add, sub, addi 16% 48% Data transfer Logical lw, sw, lb, lbu, lh, lhu, sb, lui and, or, nor, andi, ori, sll, srl 35% 36% 12% 4% Conditional Branch beq, bne, slt, slti, sltiu 34% 8% Jump j, jr, jal 2% 0% 26

27 Multiplicación en MIPS Dos registros de 32 bits adicionales: Registro HI Registro LO Instrucciones mult rs, rt multu rs, rt Producto de 64 bits en HI:LO HI: 32 bits más significativos LO: 32 bits menos significativos mfhi rd Copia HI en rd mflo rd Copia LO en rd 27

28 División en MIPS Emplea los registros HI y LO para el resultado: HI: residuo de 32 bits LO: cociente de 32 bits Instrucciones div rs, rt divu rs, rt # LO = rs/rt, HI = rs%rt Las instrucciones mfhi, mflo permiten acceder al resultado De acuerdo con la implementación, las instrucciones de multiplicación y división pueden detectar condiciones de overflow y división por cero automáticamente Si no es así, estas dos condiciones deben evaluarse mediante software 28

29 Referencias recomendadas Computer organization and design. The hardware/software interface, 4rd ed., Chapter 2. D. Patterson and J. Hennessy. Morgan Kaufmann Publishers MARS MIPS Simulator Accesible vía Web: 29