Práctica 2 - Assembler MIPS

Transcripción

1 Práctica 2 - Assembler MIPS Organización del Computador 1 Verano 2014 Se deberán resolver al menos los ejercicios: 3, 6, 7, 9, 17, 22, 25 de la presente guía. El resto de los ejercicios son opcionales. Ejercicio 1 Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje C a. f = g - h; b. f = g + (h - 5); y asumiendo que f, g, h e i representan a variables enteras de 32-bits declaradas previamente: i) Traducir a código assembler MIPS utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Cuántas instrucciones de assembler MIPS fueron necesarias? iii) Si las variables f, g, h e i inicialmente poseen los valores 1, 2, 3 y 4, respectivamente, Cuál es el valor final de f? Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje assembler MIPS a. addi f, f, 4 b. add f, g, h add f, i, f i) Traducir a código C utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Si las variables f, g, h e i inicialmente poseen los valores 1, 2, 3 y 4, respectivamente, Cuál es el valor final de f? Ejercicio 2 Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje C a. f = g - f; b. f = i + (h - 2); y asumiendo que f, g, h e i representan a variables enteras de 32-bits declaradas previamente: i) Traducir a código assembler MIPS utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Cuántas instrucciones de assembler MIPS fueron necesarias? iii) Si las variables f, g, h e i poseen los valores 1, 2, 3 y 4, respectivamente, Cuál es el valor final de f? 1

2 Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje assembler MIPS a. addi f, f, 4 b. add f, g, h sub f, i, f i) Traducir a código C utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Si las variables f, g, h e i poseen los valores 1, 2, 3 y 4, respectivamente, Cuál es el valor final de f? Ejercicio 3 Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje C a. f = - g - f; b. f = g + (-f -5); y asumiendo que f y g representan a variables enteras de 32-bits declaradas previamente: i) Traducir a código assembler MIPS utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Cuántas instrucciones de assembler MIPS fueron necesarias? iii) Si las variables f y g poseen los valores 1 y 2, respectivamente, cuál es el valor final de f? Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje assembler MIPS a. addi f, f, -4 b. add i, g, h sub f, i, f i) Traducir a código C utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Si las variables f, g, h e i poseen los valores 1, 2, 3 y 4, respectivamente, Cuál es el valor final de f? Ejercicio 4 Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje C a. f = - g - A[4]; b. B[8] = A[i-j]; asumiendo que las variables f, g, h, i y j son asignadas a los registros $s0, $s1, $s2, $s3 y $s4, respectivamente, y que las direcciones iniciales de los vectores A y B se encuentran en los registros $s6 y $s7, respectivamente: i) Traducir a código assembler MIPS utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Cuántas instrucciones de assembler MIPS fueron necesarias? iii) Cuántas registros se necesitaron en cada caso? 2

3 Para cada uno de los siguientes códigos en lenguaje assembler MIPS a. sll $s2, $s4, 1 add $s0, $s2, $s3 add $s0, $s0, $s1 b. sll $t0, $s0, 2 # $t0 = f * 4 add $t0, $s6, $t0 # $t0 = &A[f] sll $t1, $s1, 2 # $t1 = g * 4 add $t1, $s7, $t1 # $t1 = &B[g] lw $s0, 0($t0) # $f = A[f] addi $t2, $t0, 4 lw $t0, 0($t2) add $t0, $t0, $s0 sw $t0, 0($t1) asumiendo que las variables f, g, h, i y j son asignadas a los registros $s0, $s1, $s2, $s3 y $s4, respectivamente, y que las direcciones iniciales de los vectores A y B se encuentran en los registros $s6 y $s7, respectivamente: i) Traducir a código C utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. Ejercicio 5 La tabla que se presenta a continuación muestra los valores de un vector almacenado en memoria. Asuma que la dirección inicial del vector se guarda en el registro $s6. a. Dirección Dato b. Dirección Dato i) Escribir un programa en C que ordene los datos del vector de menor a mayor. Asumir que los datos de la tabla se encuentran almacenados en una variable de tipo int[ ] denominada Array. La máquina direcciona a byte y una palabra se encuentra compuesta por 4 bytes. ii) Escribir un programa en assembler MIPS que ordene los datos del vector de menor a mayor utilizando la menor cantidad posible de instrucciones. iii) Cuántas instrucciones fueron necesarias en el caso del código assembler MIPS? En el caso de no permitirse el uso del campo inmediato para las instrucciones lw y sw, Cuántas instrucciones serían necesarias para realizar el ordenamiento? Dado los siguientes números que se encuentran expresados en base hexadecimal a. 0xabcdef12 b. 0x

4 i) Traducirlos a decimal. ii) Mostrar cómo se organizan los datos de la tabla en una máquina con un diseño littleendian. Y en una máquina big-endian? Asumir que los datos son almacenados a partir de la dirección de memoria 0. Ejercicio 6 Para cada una de las siguientes instrucciones expresadas en lenguaje C a. f = f + A[2]; b. B[8] = A[i] + A[j]; asumiendo que las variables f, g, h, i y j son asignadas a los registros $s0, $s1, $s2, $s3 y $s4, respectivamente, y que las direcciones iniciales de los vectores A y B se encuentran en los registros $s6 y $s7, respectivamente y que los elementos de los vectores son palabras de 4-bytes: i) Traducir a código assembler MIPS utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Cuántas instrucciones de assembler MIPS fueron necesarias? iii) Cuántos registros se necesitaron en cada caso? Para cada uno de los siguientes códigos en lenguaje assembler MIPS a. sub $s0, $s0, $s1 sub $s0, $s0, $s3 add $s0, $s0, $s1 b. addi $t0, $s6, 4 add $t1, $s6, $0 sw $t1, 0($t0) lw $t0, 0($t0) add $s0, $t16, $t0 asumiendo que las variables f, g, h, i y j son asignadas a los registros $s0, $s1, $s2, $s3 y $s4, respectivamente, y que las direcciones iniciales de los vectores A y B se encuentran en los registros $s6 y $s7, respectivamente: i) Traducir a código C utilizando la cantidad mínima de instrucciones necesarias. ii) Asumiendo que los registros $s0, $s1, $s2, y $s3 contienen los valores 0x A, 0x , 0x E y 0x , respectivamente, $s6 contiene el valor 0x , y la memoria contiene los siguientes valores: Dirección 0x x x Valor 0x x000000C8 0x C Qué valor toma $s0 al final de la ejecución del código assembler? iii) Para cada instrucción MIPS, mostrar su valor de opcode (OP), source register (RS) y target register (RT). Para cada instrucción de tipo I-type, mostrar el valor del inmediate field y para las instrucciones de tipo R-type mostrar el valor del destination register (RD). 4

5 Ejercicio 7 Dados: a (2) b (2) i) Qué número representa en base 10, asumiendo que es un entero complemento a 2? ii) Qué número representa en base 10, asumiendo que es un entero sin signo? iii) Qué número hexadecimal representa? Dados: a. -1 (10) b (10) i) Representar en binario asumiendo complemento a 2. ii) Representar en hexadecimal asumiendo complemento a 2. Ejercicio 8 Dados: a. $s0 = 0x (16) $s1 = 0xD (16) b. $s0 = 0x (16) $s1 = 0xFFFFFFFF (16) i) Qué valor toma $t0 luego de ejecutar la siguiente instrucción assembler MIPS? add $t0, $s0, $s1 $t0 contiene el resultado esperado o ha habido overf low? ii) Qué valor toma $t0 luego de ejecutar la siguiente instrucción assembler MIPS? sub $t0, $s0, $s1 $t0 contiene el resultado esperado o ha habido overf low? iii) Qué valor toma $t0 luego de ejecutar las siguientes instrucciones assembler MIPS? add $t0, $s0, $s1 add $t0, $t0, $s0 $t0 contiene el resultado esperado o ha habido overf low? Dadas las siguientes instrucciones en assembler MIPS: a. add $s0, $s0, $s1 add $s0, $s0, $s1 a. add $s0, $s0, $s1 add $s0, $s0, $s1 add $s0, $s0, $s1 i) Asumiendo que $s0 = 0x y $s1 = 0x , Se obtendrá overf low? ii) Asumiendo que $s0 = 0x y $s1 = 0x , Se obtendrá overf low? iii) Asumiendo que $s0 = 0x8FFFFFFF y $s1 = 0xD , Se obtendrá overf low? 5

6 Ejercicio 9 Para cada valor del registro $s1: a. -1 (10) b (10) i) Asumiendo que el registro $s0 = 0x , si la instrucción add $s0, $s0, $s1 es ejecutada, Dará overf low? ii) Asumiendo que el registro $s0 = 0x , si la instrucción sub $s0, $s0, $s1 es ejecutada, Dará overf low? iii) Asumiendo que el registro $s0 = 0x7FFFFFFF, si la instrucción sub $s0, $s0, $s1 es ejecutada, Dará overf low? Para cada valor del registro $s1: a (2) b (2) i) Asumiendo que el registro $s0 = 0x , si la instrucción add $s0, $s0, $s1 es ejecutada, Dará overf low? ii) Asumiendo que el registro $s0 = 0x , si la instrucción add $s0, $s0, $s1 es ejecutada, Cuál es su resultado en hexadecimal? iii) Asumiendo que el registro $s0 = 0x , si la instrucción add $s0, $s0, $s1 es ejecutada, Cuál es su resultado en decimal? Ejercicio 10 Para número binario que se presenta a continuación: a (2) b (2) i) Qué instrucción MIPS representa? ii) En qué formato está codificada la instrucción (I-type, R-type, J-type)? iii) Si fueran bits de datos, Qué número hexadecimal representan? Para cada instrucción: a. addi $t0, $t0, 0 b. sw $t1 32($t2) i) Mostrar el número en hexadecimal que la respresenta. ii) En qué formato está codificada la instrucción (I-type, R-type, J-type)? iii) Cuál es la representación hexadecimal de los campos opcode, Rs y Rt? Para la instrucción R-type, Cuál es la representación hexadecimal de los campos Rd y funct? Para la instrucción I-type, Cuál es la representación del campo inmediato? Ejercicio 11 Dados: a (16) b (16) 6

7 i) Qué número representa en base 2? ii) Qué número representa en base 10? iii) Qué instrucción MIPS representa? Dados: a. op=0, rs=3, rt=2, rd=3, shamt=0, funct=34 b. op=0x23, rs=1, rt=2, const=0x4 i) En qué formato está codificada la instrucción (I-type, R-type)? ii) Qué instrucción MIPS describe? iii) Cuál es la representación en base 2 de la instrucción que representa? Ejercicio 12 Dados: a. 128 registros b. 4 veces más instrucciones i) Si el set de instrucciones del procesador MIPS fuera modificado, el formato de instrucción también debería ser modificado. Para cada cambio sugerido arriba, mostrar el tamaño de los campos bits de una instrucción de formato R-type. Qué cantidad de bits se necesita para cada instrucción? ii) Si el set de instrucciones del procesador MIPS fuera modificado, el formato de instrucción también debería ser modificado. Para cada cambio sugerido arriba, mostrar el tamaño de los campos bits de una instrucción de formato I-type. Qué cantidad de bits se necesita para cada instrucción? iii) Qué instrucción MIPS representa? iv) Por qué, el cambio sugerido en la tabla anterior, podría disminuir el tamaño de un programa en assembler MIPS? Dados: a (16) b. AD (16) i) Qué número representa en base 10? ii) Qué instrucción MIPS representa? iii) Qué tipo de instrucción representa (I-type, R-type, J-type)? Cuáles son los valores de los campos op y rt? Ejercicio 13 Dados: a. $t0 = 0xAAAAAAAA, $t1 = 0x b. $t0 = 0xF00DD00D, $t1 = 0x

8 i) Cuál es el valor de $t2 luego de ejecutar las siguientes instrucciones? sll $t2, $t0, 44 or $t2, $t2, $t1 ii) Cuál es el valor de $t2 luego de ejecutar las siguientes instrucciones? sll $t2, $t0, 4 andi $t2, $t2, -1 iii) Cuál es el valor de $t2 luego de ejecutar las siguientes instrucciones? srl $t2, $t0, 3 andi $t2, $t2, 0xFFEF Dados: a. sll $t2, $t0, 1 andi $t2, $t2, -1 b. andi $t2, $t1, 0x00F0 srl $t2, 2 i) Asumiendo que $t0 = 0x0000A5A5 y $t1 = 00005A5A Cuál es el valor de $t2 luego de ejecutar las instrucciones de la tabla? ii) Asumiendo que $t0 = 0xA5A50000 y $t1 = A5A50000 Cuál es el valor de $t2 luego de ejecutar las instrucciones de la tabla? iii) Asumiendo que $t0 = 0xA5A5FFFF y $t1 = A5A5FFFF Cuál es el valor de $t2 luego de ejecutar las instrucciones de la tabla? Ejercicio 14 Sólo a efectos de mantener la numeración sincronizada con el libro. Ejercicio 15 Dadas: a. not $t1, $t2 // invierte bit a bit b. orn $t1, $t2, $t3 // OR bit a bit de $t2, $t3 i) Las instrucciones incluidas en la tabla no se encuentran incluidas en el set de instrucciones de assembler MIPS, pero en la misma tabla se adjunta una mínima descripción de lo que realizan. Dados los valores de $t2 = 0x00FFA5A5 y $t3 = 0xFFFF003C, Cuál es valor de $t1 luego de ejecutar la instrucción? ii) La instrucciones incluidas en la tabla no se encuentran incluidas en el set de instrucciones de assembler MIPS, las mismas pueden ser recreadas utilizando una o más instrucciones de assembler MIPS. Mostrar un conjunto mínimo de instrucciones MIPS que puedan recrear las instrucciones de la tabla. iii) Para la secuencia de instrucciones del punto anterior, mostrar la representación a nivel bit de cada instrucción. 8

9 Dadas: a. A = B!A; b. A = C[0] << 4; i) La tabla muestra diferentes sentencias en C que utilizan operadores lógicos. Si la posición de memoria C[0] contiene el valor entero 0x , y los valores iniciales de los enteros A y B son 0x y 0x , Cuál es el valor resultante de A? ii) Para las sentencias en C de la tabla, escribir una secuencia mínima de instrucciones de assembler MIPS que realicen las mismas operaciones. Asumir que $t1 = A, $t2 = B, y $s1 es la dirección inicial de C. iii) Para la secuencia de instrucciones del punto anterior, mostrar la representación de cada una a nivel de bits. Ejercicio 16 Dados: a. $t0 = (2) b. $t0 = (2) i) Si $t1 = (2) Cuál es valor de $t2 luego de la ejecución de las siguientes instrucciones? slt $t2, $t0, $t1 beq $t2, $0, ELSE j DONE: ELSE: addi $t2, $0, 2 DONE: ii) Dada la instrucción slti que se muestra a continuación, Para qué valores de X, si es que existe alguno, $t2 será igual a 1? slti $t2, $t0, X iii) Suponga que el program counter (PC) = 0x Es posible usar la instrucción jump (j) de assembler MIPS para asignarle al PC la dirección de la tabla? Es posible utilizar el branch-on-equal (beq) de la instrucción assembler MIPS para asignarle al PC la dirección de la tabla? Dados: a. $t0=0x b. $t0=0x i) Cuál es valor de $t2 luego de la ejecución de las siguientes instrucciones? slt $t2, $0, $t0 beq $t2, $0, ELSE j DONE: ELSE: addi $t2, $t2, 2 DONE: 9

10 ii) Cuál es valor de $t2 luego de la ejecución de las siguientes instrucciones? sll $t0, $t0, 2 slt $t2, $t0, $0 iii) Suponga que el program counter (PC) = 0x Es posible usar la instrucción jump (j) de assembler MIPS para asignarle al PC la dirección de la tabla? Es posible utilizar el branch-on-equal (beq) de la instrucción assembler MIPS para asignarle al PC la dirección de la tabla? Prestar atención al formato de las instrucciones J-type. Ejercicio 17 Dadas: a. subi $t2, $t3, 5 # R[rt] = R[rs] - SignExtImm b. rpt $t2, loop # if(r[rs]>0) R[rs]=R[rs]-1, PC=PC+4+BranchAddr i) La tabla contiene instrucciones que no se encuentran incluidas en el set de instrucciones de assembler MIPS y una descripción de su funcionamiento. Por qué estas instrucciones no han sido incluidas en el set de instrucciones MIPS? ii) Si estas instrucciones tuvieran que ser implementadas dentro del set de instrucciones MIPS, Cuál sería el formato de instrucción más apropiado? iii) Escribir la secuencia más corta de instrucciones MIPS que ejecuten la instrucción. Dados: a. LOOP: addi $s2, $s2, 2 subi $t1, $t1, 1 bne $t1, $0, LOOP DONE: b. LOOP: slt $t2, $0, $t1 beq $t2, $0, DONE subi $t1, $t1, 1 addi $s2, $s2, 2 DONE: i) Cuál es el valor de $s2, asumiendo que inicialmente $s2=0 y $t1=10? ii) Escribir una rutina equivalente en C. Asumir que los registros $s1, $s2, $t1, y $t2 son representados por los enteros A, B, i y temp, respectivamente. iii) Asumiendo que incialmente $t1=n, Cuántas instrucciones MIPS son ejecutadas? Ejercicio 18 Dados: a. for(i=0; i<a; i++) a+= b; b. for(i=0; i<a; i++) for(j=0; j<b; j++) D[4*j] = i + j; i) Dibujar un diagrama de flujo del código C ii) Trasladar el código C a assembler MIPS. Usar la mínima cantidad de instrucciones posibles. Asumir que los valores de a, b, i y j se encuentran almacenados en los registros $s0, $s1, $t0 y $t1, respectivamente. Además, asumir que el registro $s2 contiene la posición inicial del vector D 10

11 iii) Cuántas instrucciones MIPS toma implementar el código C? Si las variables a y b son inicializadas en 10 y 1 respectivamente y todos los elementos de D son inicializados en 0, Cuántas instrucciones MIPS son ejecutadas al finalizar el ciclo? Dados: a. addi $t1, $0, 50 LOOP: lw $s1, 0($s1) add $s1, $s2, $s1 lw $s1, 4($s0) add $s1, $s2, $s1 addi $s0, $s0, 8 subi $t1, $t1, 1 bne $t1, $0, LOOP b. addi $t1, $0, $0 LOOP: lw $s1, 0($s0) add $s2, $s2, $s1 addi $s0, $s0, 4 addi $t1, $t1, 1 slti $t2, $t1, 100 bne $t2, $s0, LOOP i) Cuántas instrucciones MIPS se ejecutan? ii) Escribir una rutina equivalente en C. Asumir que los registros $t1, $s2 y $s0 son representados por los enteros i, result y la dirección inicial del vector MemArray, respectivamente. iii) Rescribir el ciclo para reducir la cantidad de instrucciones MIPS ejecutadas. Ejercicio 19 Dados: a. int fib(int n){ if (n==0) return 0; else if (n==1) return 1; else fib(n-1) + fib(n-2); } b. int positive(int a, int b){ if (addit(a, b) >0) return 1; else return 0; } int addit(int a, int b){ return a+b; } 11

12 Conservado Registros guardados: $s0-$s7 Registro stack pointer: $sp Registro de dirección de retorno: $ra Stack por encima de stack pointer No conservado Registros temporales: $t0-$t9 Registros de argumentos: $a0-$a3 Registros con valores de retorno: $v0-$v1 Stack por debajo de stack pointer Cuadro 1: Que debe ser conservado y que no, en un llamado a procedimiento. Si el software se basa en los registros frame pointer o global pointer, también deben ser conservados. (Tabla obtenida de la Figura 2.11 del libro) Nombre Número de registro Uso Conservado en la llamada? $zero 0 Valor constante cero n.a. $v0-$v1 2-3 Valores para resultados y no evaluación de expresiones $a0-$a3 4-7 Argumentos no $t0-$t Temporales no $s0-$s Guardados si $t8-$t Más temporales no $gp 28 Global Pointer si $sp 29 Stack Pointer si $fp 30 Frame Pointer si $ra 31 Dirección de retorno si Cuadro 2: Convención de uso de registros MIPS. El registro 1, llamado $at, es reservado para el ensamblador, y los registros 26-27, denominados $k0-$k1, son reservados para el sistema operativo. (Tabla obtenida de la Figura 2.14 del libro) i) Implementar el código C en assembler MIPS. Cuántas instrucciones MIPS son necesarias para ejecutar la función? ii) La funciones generalmente pueden ser implementadas por los compiladores in-line. Una función in-line es cuando el cuerpo de la función es copiado dentro del espacio de programa, eliminando la sobrecarga por la llamada a la función. Implementar en assembler MIPS una versión in-line del código C. Cuál es la reducción en cantidad de instrucciones MIPS necesarias para ejecutar la función? Asumir que la variable n se inicializa en 5. iii) Para cada llamada a función, mostrar el contenido del stack luego de que la llamada sea hecha. Asumir que el stack pointer se encuentra originalmente en la dirección 0x7FFFFFFC y sigue la convensión de registros especificada en el Cuadro 1. La función f llama a otra función: func, cuyo código C (de la función func) ya ha sido compilada en otro módulo usando la convención de llamadas de MIPS del Cuadro 2. La declaración de la función func es int func(int a, int b); El código de la función f se detalla a continuación: a. int f(int a, int b, int c, int d){ return func(func(a,b),c+d); } b. int f(int a, int b, int c, int d){ if(a+b>c+d) return func(a+b,c+d); return func(c+d,a+b); } 12

13 i) Trasladar la función f a assembler MIPS, usando la convención de llamadas MIPS del Cuadro 2. Si necesita utilizar los registros $t0 a $t7, utilizar primero los de menor numeración. ii) Puede utilizarse la optimización tail-call en esta función? Si la respuesta es no, justificar. Si la respuesta es sí, Cuál es la diferencia, en cantidad de instrucciones ejecutadas en f, con y sin la optimización? iii) Justo antes de que la función f del punto previo retorne, Cuál es el contenido de los registros $t5, $s3, $ra y $sp?. Tener en mente que se conoce lo que hace la función f, pero de la función func sólo se conoce su declaración. Ejercicio 20 Sean: a. FACT: sw $ra, 4($sp) sw $a0, 0($sp) addi $sp, $sp, -8 slti $t0, $a0, 1 beq $t0, $0, L1 addi $v0, $0, 1 addi $sp, $sp, 8 jr $ra L1: addi $a0, $a0, -1 jal FACT addi $sp, $sp, 8 lw $a0, 0($sp) lw $ra, 4($sp) mul $v0, $a0, $v0 jr $ra b. FACT: addi $sp, $sp, 8 sw $ra, 4($sp) sw $a0, 0($sp) add $s0, $0, $a0 slti $t0, $a0, 2 beq $t0, $0, L1 mul $v0, $s0, $v0 addi $sp, $sp, -8 jr $ra L1: addi $a0, $a0, -1 jal FACT addi $v0, $0, 1 lw $a0, 0($sp) lw $ra, 4($sp) addi $sp, $sp, -8 jr $ra i) Los programas (en assembler MIPS) de la tabla computan el factorial de un número dado. Dicho número es ingresado a través del registro $a0, y el resultado es devuelto a través del registro $v0. En ambos códigos hay errores. Corregirlos. ii) Asumir que para ambos programas recursivos, el valor de entrada es 4. Rescribir dichos programas para que funcionen de manera no recursiva. Restringir el uso de registros sólo a $s0-$s7. Cuántas instrucciones se ejecutan en la versión recursiva? Y en la no recursiva? iii) Mostrar el contenido del stack después de cada llamada a función, asumiendo que el valor de entrada es 4. 13

14 Sean: a. FIB: addi $sp, $sp, -12 sw $ra, 0($sp) sw $s1, 4($sp) sw $a0, 8($sp) slti $t0, $a0, 1 beq $t0, $0, L1 addi $v0, $a0, $0 j EXIT L1: addi $a0, $a0, -1 jal FIB addi $s1, $v0, $0 addi $a0, $a0, -1 jal FIB add $v0, $v0, $s1 EXIT: lw $ra, 0($sp) lw $a0, 8($sp) lw $s1, 4($sp) addi $sp, $sp, 12 jr $ra b. FIB: addi $sp, $sp, -12 sw $ra, 8($sp) sw $s1, 4($sp) sw $a0, 0($sp) slti $t0, $a0, 3 beq $t0, $0, L1 addi $v0, $0, 1 j EXIT L1: addi $a0, $a0, -1 jal FIB addi $a0, $a0, -2 jal FIB add $v0, $v0, $s1 EXIT: lw $a0, 0($sp) lw $s1, 4($sp) lw $ra, 8($sp) addi $sp, $sp, 12 jr $ra i) Los programas (en assembler MIPS) de la tabla computan Fibonacci de un número dado. Dicho número es ingresado a través del registro $a0, y el resultado es devuelto a través del registro $v0. En ambos códigos hay errores. Corregirlos. ii) Asumir que para ambos programas recursivos, el valor de entrada es 4. Rescribir dichos programas para que funcionen de manera no recursiva. Restringir el uso de registros sólo a $s0-$s7. Cuántas instrucciones se ejecutan en la versión recursiva? Y en la no recursiva? iii) Mostrar el contenido del stack después de cada llamada a función, asumiendo que el valor de entrada es 4. Ejercicio 21 Asumiendo que el stack y el segmento estático de datos se encuentran vacíos, y el stack y el global pointer comienzan en la dirección 0x7FFF FFFc y 0x , respectivamente. Además, asumiendo la convención de llamadas del Cuadro 1 del ejercicio 14

15 19 y que los parámetros de entrada a función son pasados a través de los registros $a0-$a3, y que el resultado se devuelve a través de $r0 y que las funciones leaf function pueden utilizar solamente registros guardados; dados: a. int my global = 100; main(){ int x = 10; int y = 20; int z; z = my function(x,y); } int my function(int x, int y){ return x - y + my global; } b. int my global = 100; main(){ int z; my global+=1; int z; z = leaf function(my global); } int leaf function(int x){ return x - 1; } i) Transcribir los programas a assembler MIPS. ii) Mostrar el contenido del stack y del segmento estático de datos después de cada llamada a función. iii) Si la función leaf function pudiera usar los registros temporales ($t0, $t1, etc.), escribir el código MIPS para cada programa. Dados los siguientes programas escritos en assembler MIPS que siguen la convención del Cuadro 2 del ejercicio 19: a. f: add $v0, $a1, $a0 bnez $a2, L sub $v0, $a0, $a1 L: jr $v0 b. f: add $a2, $a3, $a2 slt $a2, $a2, $a0 move $v0, $a1 beqz $a2, L jr $ra L: move $a0, $a1 jal g ; Tail call i) El código contiene un error y viola la convención de llamada de MIPS. Cuál es el error y cómo puede solucionarse? ii) Cuál es el código equivalente en C de este programa? Asumir que los argumento de la función en C son denominados a, b, c, etc. iii) Mostrar el contenido del stack después de cada llamada a función, asumiendo que el valor de entrada es 4. En el punto que esta función es llamada, los registros $a0, $a1, $a2 y $a3 contienen los valores 1, 100, 1000 y 30, respectivamente. Qué valor retorna la función? Si otra función g es llamada desde f, asumir que g siempre devuelve

16 Ejercicio 22 Dadas las siguientes cadenas de caracteres: a. hello world b i) Transcribirlos a los valores en bytes hexadecimales ASCII. ii) Transcribirlos a Unicode de 16-bits (usando la notación hex y el Basic Latin character set). Dados los siguientes valores de caracteres ASCII hexadecimales: a b. 4D i) trasladarlos a texto. Ejercicio 23 Sean: a. cadena de enteros decimales positivos y negativos b. enteros hexadecimales positivos i) Escribir un programa en lenguaje ensamblador MIPS que convierta una cadena de números ASCII a un entero, bajo las condiciones que figuran en la tabla. El registro $a0 contiene la dirección de la cadena de dígitos que contiene alguna combinación de 0 y 9 y que finaliza con un terminador null. El programa debe calcular el valor entero equivalente a la cadena y almacenarlo en el registro $v0. Si en la cadena aparece un caracter que no se corresponde con un dígito decimal, el programa debe terminar su ejecución almacenando en el registro $v0 el valor -1. A modo de ejemplo, si el registro $a0 apunta a la secuencia de tres bytes 50 (10), 52 (10) y 0 (10) (que corresponde a la cadena 24 con terminador null), al terminar el programa debería retornar el valor 24 (10) en el registro $v0. Ejercicio 24 Asumiendo que los registros $t1 y $t2 contienen la direcciones 0x y 0x , respectivamente, y que la arquitectura MIPS utiliza el modo de direccionamiento big-endian. Sean: a. lbu $t0, 0($t1) sw $t0, 0($t2) b. lb $t0, 0($t1) sh $t0, 0($t2) i) Asumiendo que el dato en la dirección de memoria 0x es: Qué valor es almacenado en la dirección apuntada por el registro $t2? Asumir que la dirección de memoria apuntada a $t2 es inicializada en 0xFFFF FFFF ii) Asumiendo que el dato en la dirección de memoria 0x es: Qué valor es almacenado en la dirección apuntada por el registro $t2? Asumir que la dirección de memoria apuntada a $t2 es inicializada en 0x

17 iii) Asumiendo que el dato en la dirección de memoria 0x es: FF Qué valor es almacenado en la dirección apuntada por el registro $t2? Asumir que la dirección de memoria apuntada a $t2 es inicializada en 0x Ejercicio 25 Dados: a (2) a (2) i) Escribir un programa en assembler MIPS que cree las constantes de 32-bits de la tabla y que almacene dicho valor en el registro $t1. ii) Si el valor actual del PC=0x , Es posible utilizar una sola instrucción jump para obtener un PC con el valor de la tabla? iii) Si el valor actual del PC=0x , Es posible utilizar una sola instrucción branch para obtener un PC con el valor de la tabla? iv) Si el valor actual del PC=0x1FFFF000, Es posible utilizar una sola instrucción branch para obtener un PC con el valor de la tabla? v) Si el campo inmediato de una instrucción MIPS fuera de solo 8-bits de ancho, escribir un código MIPS que cree las constantes de 32-bits de la tabla y almacene sus valores en el registro $t1. No está permitido utilizar la instrucción lui. Dados: a. lui $t0, 0x1234 addi $t0, $t0, 0x5678 b. lui $t0, 0x1234 andi $t0, $t0, 0x5678 i) Cuál es el valor del registro $t0 luego de ejecutar el código de la tabla? ii) Escribir un código C equivalente al código assembler de la tabla. Asumir que la constante más grande que se puede cargar en un entero de 32-bits son 16-bits. Ejercicio 26 Dados: a (16) a. FFFF FF00 (16) i) Si el PC=0x , Cuántas instrucciones branch (no jump) son necesarias para alcanzar la dirección de la tabla? ii) Si el PC=0x , Cuántas instrucciones jump (no branch, ni jump a registro) son necesarias para alcanzar la dirección de la tabla? iii) Para reducir el tamaño de un programa MIPS, los diseñadores de MIPS han decidido recortar el campo inmediato de las instrucciones de tipo I-type de 16-bits a 8-bits. Si el PC=0x , Cuántas instrucciones branch son necesarias para setear al PC la dirección de la tabla? Dados: a. 128 registros b. 4 veces más operaciones diferentes 17

18 i) Si el set de instrucciones del procesador MIPS es modificado, el formato de instrucción también deberá ser modificado. Para cada cambio sugerido en la tabla, Cuál es el impacto sobre el rango de direcciones para una instrucción beq? Asumir que todas las instrucciones se mantienen en un largo de 32-bits y cada cambio realizado al formato de instrucción de las instrucciones de tipo I-type sólo incrementa/decrementa el campo inmediato de la instrucción beq. ii) Si el set de instrucciones del procesador MIPS es modificado, el formato de instrucción también deberá ser modificado. Para cada cambio sugerido en la tabla, Cuál es el impacto sobre el rango de direcciones para una instrucción jump? Asumir que todas las instrucciones se mantienen en un largo de 32-bits y cada cambio realizado al formato de instrucción de las instrucciones de tipo J-type sólo impacta en el campo de dirección de la instrucción jump. iii) Si el set de instrucciones del procesador MIPS es modificado, el formato de instrucción también deberá ser modificado. Para cada cambio sugerido en la tabla, Cuál es el impacto sobre el rango de direcciones para una instrucción jump de registro? Asumir que todas las instrucciones se mantienen en un largo de 32-bits. Ejercicio 27 Sean: a. Direccionamiento base o desplazamiento a. Direccionamiento pseudo-directo i) Dado los modos de direccionamiento de MIPS, que se encuentran en la tabla anterior, dar un ejemplo de una instrucción MIPS que muestre dicho modo de direccionamiento. ii) Para la instrucción del punto anterior, Cuál es el tipo de instrucción utilizada (I-type, etc.)? iii) Listar las ventajas y desventajas de cada modo de direccionamiento. Escribir un código MIPS que muestre dichas ventajas y desventajas. Sean: a. 0x beq $s0, $0, FAR... 0x FAR: addi $s0, $s0, 1 b. 0x j AWAY... 0x AWAY: addi $s0, $s0, 1 i) Para las sentencias MIPS de la tabla, mostrar su repesentación a nivel bit en hexadecimal de cada una. ii) Al reducir el tamaño del campo inmediato de las instrucciones de tipo I-type y J-type, se pueden ahorrar los bits necesarios para representar este tipo de instrucciones. Si el campo inmediato de las instrucciones I-type fuera de 8-bits y el de las J-type fuera de 18-bits, rescribir el código MIPS de la tabla para que refleje dicho cambio. No está permitido utilizar la instrucción lui. iii) Cuántas instrucciones de más se necesitan para ejecutar el código del punto anterior, comparado con el de la tabla? 18

19 MIPS Reference Data Card ( Green Card ) 1. Pull along perforation to separate card 2. Fold bottom side (columns 3 and 4) together M I P S Reference Data CORE INSTRUCTION SET OPCODE FOR- / FUNCT NAME, MNEMONIC MAT OPERATION (in Verilog) (Hex) Add add R R[rd] = R[rs] + R[rt] (1) 0 / 20 hex Add Immediate addi I R[rt] = R[rs] + SignExtImm (1,2) 8 hex Add Imm. Unsigned addiu I R[rt] = R[rs] + SignExtImm (2) 9 hex Add Unsigned addu R R[rd] = R[rs] + R[rt] 0 / 21 hex And and R R[rd] = R[rs] & R[rt] 0 / 24 hex And Immediate andi I R[rt] = R[rs] & ZeroExtImm (3) c hex Branch On Equal beq I if(r[rs]==r[rt]) PC=PC+4+BranchAddr (4) 4 hex Branch On Not Equal bne I if(r[rs]!=r[rt]) PC=PC+4+BranchAddr (4) 5 hex Jump j J PC=JumpAddr (5) 2 hex Jump And Link jal J R[31]=PC+8;PC=JumpAddr (5) 3 hex Jump Register jr R PC=R[rs] 0 / 08 hex Load Byte Unsigned lbu I R[rt]={24 b0,m[r[rs] +SignExtImm](7:0)} (2) 24 hex Load Halfword R[rt]={16 b0,m[r[rs] lhu I Unsigned +SignExtImm](15:0)} (2) 25 hex Load Linked ll I R[rt] = M[R[rs]+SignExtImm] (2,7) 30 hex Load Upper Imm. lui I R[rt] = {imm, 16 b0} f hex Load Word lw I R[rt] = M[R[rs]+SignExtImm] (2) 23 hex Nor nor R R[rd] = ~ (R[rs] R[rt]) 0 / 27 hex Or or R R[rd] = R[rs] R[rt] 0 / 25 hex Or Immediate ori I R[rt] = R[rs] ZeroExtImm (3) d hex Set Less Than slt R R[rd] = (R[rs] < R[rt])? 1 : 0 0 / 2a hex Set Less Than Imm. slti I R[rt] = (R[rs] < SignExtImm)? 1 : 0 (2) a hex Set Less Than Imm. Unsigned sltiu I R[rt] = (R[rs] < SignExtImm)? 1 : 0 (2,6) Set Less Than Unsig. sltu R R[rd] = (R[rs] < R[rt])? 1 : 0 (6) 0 / 2b hex Shift Left Logical sll R R[rd] = R[rt] << shamt 0 / 00 hex Shift Right Logical srl R R[rd] = R[rt] >> shamt 0 / 02 hex Store Byte sb I M[R[rs]+SignExtImm](7:0) = R[rt](7:0) (2) 28 hex Store Conditional sc I M[R[rs]+SignExtImm] = R[rt]; R[rt] = (atomic)? 1 : 0 (2,7) 38 hex Store Halfword sh I M[R[rs]+SignExtImm](15:0) = R[rt](15:0) (2) 29 hex Store Word sw I M[R[rs]+SignExtImm] = R[rt] (2) 2b hex Subtract sub R R[rd] = R[rs] - R[rt] (1) 0 / 22 hex Subtract Unsigned subu R R[rd] = R[rs] - R[rt] 0 / 23 hex (1) May cause overflow exception (2) SignExtImm = { 16{immediate[15]}, immediate } (3) ZeroExtImm = { 16{1b 0}, immediate } (4) BranchAddr = { 14{immediate[15]}, immediate, 2 b0 } (5) JumpAddr = { PC+4[31:28], address, 2 b0 } (6) Operands considered unsigned numbers (vs. 2 s comp.) (7) Atomic test&set pair; R[rt] = 1 if pair atomic, 0 if not atomic BASIC INSTRUCTION FORMATS R opcode rs rt rd shamt funct I opcode rs rt immediate J opcode address b hex ARITHMETIC CORE INSTRUCTION SET 2 OPCODE / FMT /FT / FUNCT (Hex) NAME, MNEMONIC FOR- MAT OPERATION Branch On FP True bc1t FI if(fpcond)pc=pc+4+branchaddr (4) 11/8/1/-- Branch On FP False bc1f FI if(!fpcond)pc=pc+4+branchaddr(4) 11/8/0/-- Divide div R Lo=R[rs]/R[rt]; Hi=R[rs]%R[rt] 0/--/--/1a Divide Unsigned divu R Lo=R[rs]/R[rt]; Hi=R[rs]%R[rt] (6) 0/--/--/1b FP Add Single add.s FR F[fd ]= F[fs] + F[ft] 11/10/--/0 FP Add {F[fd],F[fd+1]} = {F[fs],F[fs+1]} + add.d FR Double {F[ft],F[ft+1]} 11/11/--/0 FP Compare Single c.x.s* FR FPcond = (F[fs] op F[ft])? 1 : 0 11/10/--/y FP Compare FPcond = ({F[fs],F[fs+1]} op c.x.d* FR Double {F[ft],F[ft+1]})? 1 : 0 11/11/--/y * (x is eq, lt, or le) (op is ==, <, or <=) ( y is 32, 3c, or 3e) FP Divide Single div.s FR F[fd] = F[fs] / F[ft] 11/10/--/3 FP Divide {F[fd],F[fd+1]} = {F[fs],F[fs+1]} / div.d FR Double {F[ft],F[ft+1]} 11/11/--/3 FP Multiply Single mul.s FR F[fd] = F[fs] * F[ft] 11/10/--/2 FP Multiply {F[fd],F[fd+1]} = {F[fs],F[fs+1]} * mul.d FR Double {F[ft],F[ft+1]} 11/11/--/2 FP Subtract Single sub.s FR F[fd]=F[fs] - F[ft] 11/10/--/1 FP Subtract {F[fd],F[fd+1]} = {F[fs],F[fs+1]} - sub.d FR Double {F[ft],F[ft+1]} 11/11/--/1 Load FP Single lwc1 I F[rt]=M[R[rs]+SignExtImm] (2) 31/--/--/-- Load FP F[rt]=M[R[rs]+SignExtImm]; (2) ldc1 I Double F[rt+1]=M[R[rs]+SignExtImm+4] 35/--/--/-- Move From Hi mfhi R R[rd] = Hi 0 /--/--/10 Move From Lo mflo R R[rd] = Lo 0 /--/--/12 Move From Control mfc0 R R[rd] = CR[rs] 10 /0/--/0 Multiply mult R {Hi,Lo} = R[rs] * R[rt] 0/--/--/18 Multiply Unsigned multu R {Hi,Lo} = R[rs] * R[rt] (6) 0/--/--/19 Shift Right Arith. sra R R[rd] = R[rt] >>> shamt 0/--/--/3 Store FP Single swc1 I M[R[rs]+SignExtImm] = F[rt] (2) 39/--/--/-- Store FP M[R[rs]+SignExtImm] = F[rt]; (2) sdc1 I 3d/--/--/-- Double M[R[rs]+SignExtImm+4] = F[rt+1] FLOATING-POINT INSTRUCTION FORMATS FR opcode fmt ft fs fd funct FI opcode fmt ft immediate PSEUDOINSTRUCTION SET NAME MNEMONIC OPERATION Branch Less Than blt if(r[rs]<r[rt]) PC = Label Branch Greater Than bgt if(r[rs]>r[rt]) PC = Label Branch Less Than or Equal ble if(r[rs]<=r[rt]) PC = Label Branch Greater Than or Equal bge if(r[rs]>=r[rt]) PC = Label Load Immediate li R[rd] = immediate Move move R[rd] = R[rs] Copyright 2009 by Elsevier, Inc., All rights reserved. From Patterson and Hennessy, Computer Organization and Design, 4th ed. REGISTER NAME, NUMBER, USE, CALL CONVENTION NAME NUMBER USE PRESERVED ACROSS A CALL? $zero 0 The Constant Value 0 N.A. $at 1 Assembler Temporary No $v0-$v1 2-3 Values for Function Results and Expression Evaluation No $a0-$a3 4-7 Arguments No $t0-$t Temporaries No $s0-$s Saved Temporaries Yes $t8-$t Temporaries No $k0-$k Reserved for OS Kernel No $gp 28 Global Pointer Yes $sp 29 Stack Pointer Yes $fp 30 Frame Pointer Yes $ra 31 Return Address Yes

20 OPCODES, BASE CONVERSION, ASCII SYMBOLS MIPS (1) MIPS (2) MIPS opcode funct funct Binary Decimal Hexa- ASCII deci- mal Character (31:26) (5:0) (5:0) Hexa- Decimadecimal (1) sll add.f NUL 64 sub.f SOH A j srl mul.f STX B jal sra div.f ETX C beq sllv sqrt.f EOT D bne abs.f ENQ E blez srlv mov.f ACK F bgtz srav neg.f BEL G addi jr BS H addiu jalr HT I slti movz a LF 74 4a J sltiu movn b VT 75 4b K andi syscall round.w.f c FF 76 4c L ori break trunc.w.f d CR 77 4d M xori ceil.w.f e SO 78 4e N lui sync floor.w.f f SI 79 4f O mfhi DLE P (2) mthi DC Q mflo movz.f DC R mtlo movn.f DC S DC T NAK U SYN V ETB W mult CAN X multu EM Y div a SUB 90 5a Z divu b ESC 91 5b [ c FS 92 5c \ d GS 93 5d ] e RS 94 5e ^ f US 95 5f _ lb add cvt.s.f Space lh addu cvt.d.f ! a lwl sub " b lw subu # c lbu and cvt.w.f $ d lhu or % e lwr xor & f nor g sb ( h sh ) i swl slt a * 106 6a j sw sltu b b k c, 108 6c l d d m swr e e n cache f / 111 6f o ll tge c.f.f p lwc1 tgeu c.un.f q lwc2 tlt c.eq.f r pref tltu c.ueq.f s teq c.olt.f t ldc1 c.ult.f u ldc2 tne c.ole.f v c.ule.f w sc c.sf.f x swc1 c.ngle.f y swc2 c.seq.f a : 122 7a z c.ngl.f b ; 123 7b { c.lt.f c < 124 7c sdc1 c.nge.f d = 125 7d } sdc2 c.le.f e > 126 7e ~ c.ngt.f f? 127 7f DEL (1) opcode(31:26) == 0 (2) opcode(31:26) == 17 ten (11 hex ); if fmt(25:21)==16 ten (10 hex ) f = s (single); if fmt(25:21)==17 ten (11 hex ) f = d (double) 3 IEEE 754 FLOATING-POINT STANDARD (-1) S (1 + Fraction) 2 (Exponent - Bias) where Single Precision Bias = 127, Double Precision Bias = IEEE Single Precision and MAX 0 NaN Double Precision Formats: S.P. MAX = 255, D.P. MAX = 2047 S Exponent Fraction MEMORY ALLOCATION Stack $sp 7fff fffc hex $gp pc S Exponent Fraction hex hex hex 0 hex Dynamic Data Static Data Text Reserved... Argument 6 Argument 5 Saved Registers Local Variables DATA ALIGNMENT Double Word Word Word Halfword Halfword Halfword Halfword Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Value of three least significant bits of byte address (Big Endian) EXCEPTION CONTROL REGISTERS: CAUSE AND STATUS B Interrupt Exception D Mask Code Copyright 2009 by Elsevier, Inc., All rights reserved. From Patterson and Hennessy, Computer Organization and Design, 4th ed Pending Interrupt 4 IEEE 754 Symbols Exponent Fraction Object 0 0 ± ± Denorm 1 to MAX - 1 anything ± Fl. Pt. Num. MAX 0 ± STACK FRAME BD = Branch Delay, UM = User Mode, EL = Exception Level, IE =Interrupt Enable EXCEPTION CODES Number Name Cause of Exception Number Name Cause of Exception 0 Int Interrupt (hardware) 9 Bp Breakpoint Exception Address Error Exception Reserved Instruction 4 AdEL 10 RI (load or instruction fetch) Exception Address Error Exception Coprocessor 5 AdES 11 CpU (store) Unimplemented Bus Error on Arithmetic Overflow 6 IBE 12 Ov Instruction Fetch Exception Bus Error on 7 DBE 13 Tr Trap Load or Store 8 Sys Syscall Exception 15 FPE Floating Point Exception U M E L Higher Memory Addresses Stack Grows Lower Memory Addresses ASCII Character SIZE PREFIXES (10 x for Disk, Communication; 2 x for Memory) PRE- PRE- PRE- PRE- SIZE FIX SIZE FIX SIZE FIX SIZE FIX 10 3, 2 10 Kilo , 2 50 Peta milli femto- 10 6, 2 20 Mega , 2 60 Exa micro atto- 10 9, 2 30 Giga , 2 70 Zetta nano zepto , 2 40 Tera , 2 80 Yotta pico yocto- The symbol for each prefix is just its first letter, except µ is used for micro. $fp $sp I E MIPS Reference Data Card ( Green Card ) 1. Pull along perforation to separate card 2. Fold bottom side (columns 3 and 4) together