L insieme delle istruzioni del processore MIPS. Corso Calcolatori Elettronici presso POLITECNICO DI MILANO

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1 L insieme delle istruzioni del processore MIPS Corso Calcolatori Elettronici presso POLITECNICO DI MILANO Cristina Silvano Università degli Studi di Milano Dipartimento di Scienze dell Informazione 1 Materiale didattico Capitolo 3 + Appendice A del testo: Struttura, organizzazione e progetto dei calcolatori: interdipendenza tra hardware e software, di D.A. Patterson e J.L. Hennessy, Jackson Libri, 1999 (2a edizione). Oppure in versione inglese: Computer Organization & Design: The Hardware/Software Interface, D.A. Patterson and J.L. Hennessy, Morgan Kaufmann Publishers, Second Edition. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 2 1

2 Materiale didattico SPIM: A MIPS R2000/R3000 Simulator : PCSPIM version Piattaforme: Unix or Linux system Microsoft Windows (Windows 95, 98, NT, 2000) Microsoft DOS Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 3 Sommario Il linguaggio assembly Il linguaggio macchina Insieme delle istruzioni Formato delle istruzioni Codifica delle istruzioni Modalità di indirizzamento Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 4 2

3 Linguaggio assembly Rappresentazione simbolica del linguaggio macchina Più comprensibile del linguaggio macchina in quanto utilizza simboli invece che sequenze di bit Rispetto ai linguaggi ad alto livello, l'assembly fornisce limitate forme di controllo del flusso e di strutture dati Linguaggio usato come linguaggio target nella fase di compilazione di un programma scritto in un linguaggio ad alto livello (es: C, Pascal,ecc.) Vero e proprio linguaggio di programmazione che fornisce la visibilità diretta sull hardware. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 5 Assembly come linguaggio di programmazione Principali vantaggi della programmazione in linguaggio assembly: Ottimizzazione delle prestazioni. Massimo sfruttamento delle potenzialità dell'hardware sottostante. Principali svantaggi della programmazione in linguaggio assembly: Mancanza di portabilità dei programmi su macchine diverse Maggiore lunghezza, difficoltà di comprensione, facilità d errore rispetto ai programmi scritti in un linguaggio ad alto livello Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 6 3

4 Assembly come linguaggio di programmazione Le strutture di controllo hanno forme limitate Non esistono tipi di dati all infuori di interi, virgola mobile e caratteri. La gestione delle strutture dati e delle chiamate a procedura deve essere fatta in modo esplicito dal programmatore Alcune applicazioni richiedono un approccio ibrido: le parti più critiche del programma sono scritte in assembly (per massimizzare le prestazioni) e le altre parti sono scritte in un linguaggio ad alto livello (le prestazioni dipendono dalle capacità di ottimizzazione del compilatore). Esempio: Sistemi embedded o dedicati Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 7 Linguaggio macchina Linguaggio di programmazione direttamente comprensibile dalla macchina Alfabeto binario Parole sono le istruzioni Vocabolario è l insieme delle istruzioni (instruction set) Ogni architettura di processore ha il suo linguaggio macchina Architettura definita dall insieme delle istruzioni ISA (Instruction Set Architecture) Due processori con lo stesso linguaggio macchina hanno la stessa architettura anche se le implementazioni hardware possono essere diverse Consente di accedere direttamente all hardware di un calcolatore Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 8 4

5 Programma in linguaggio ad alto livello (C) a = a + c b = b + a var = m [a] Compilatore Programma in linguaggio assembly (MIPS) add $2, $4, $2 add $3, $3, $2 lw $15, 4($2) Assembler Programma in linguaggio macchina Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 9 Insieme delle istruzioni (Instruction Set) Le istruzioni comprese nel linguaggio macchina di ogni calcolatore possono essere classificate nelle seguenti quattro categorie: Istruzioni aritmetico-logiche; Istruzioni di trasferimento da/verso la memoria (load/store); Istruzioni di salto condizionato e non condizionato per il controllo del flusso di programma; Istruzioni di trasferimento in ingresso/uscita (I/O). Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 10 5

6 Istruzioni aritmetiche Ogni istruzione aritmetica ha un numero prefissato di operandi (generalmente tre) L'ordine degli operandi è fisso: Prima il registro contenente il risultato dell operazione (registro destinazione) e poi i due operandi (registri sorgente) In alcuni casi (es. moltiplicazione e divisione) il registro destinazione è implicito. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 11 Istruzioni di trasferimento da/verso la memoria (load/store) Per eseguire un istruzione, essa deve essere trasferita dalla memoria alla CPU. Operandi e risultati delle istruzioni devono essere trasferiti tra memoria e CPU. Necessarie due modalità di trasferimento di dati/istruzioni tra memoria e registri della CPU: load (caricamento) o fetch (prelievo) o read (lettura) store (memorizzazione) o write (scrittura) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 12 6

7 Istruzioni di salto condizionato e incondizionato Istruzioni di salto: viene caricato un nuovo indirizzo nel registro contatore di programma (PC) invece dell indirizzo seguente l indirizzo di salto secondo l ordine sequenziale delle istruzioni. Istruzioni di salto condizionato (branch): il salto viene eseguito solo se una certa condizione risulta soddisfatta. Istruzioni di salto incondizionato (jump): il salto viene sempre eseguito. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 13 Caratteristiche di un ISA Codifica (formato) delle istruzioni Tipo e dimensione Posizione degli operandi In memoria e/o nei registri interni al processore Tipi di dati e dimensione Operazioni consentite Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 14 7

8 Architettura MIPS Architettura MIPS appartiene alla famiglia delle architetture RISC (Reduced Instruction Set Computer) sviluppate dal 1980 in poi Principali obiettivi delle architetture RISC: Semplificare la progettazione dell'hardware e del compilatore Massimizzare le prestazioni Minimizzare i costi Architettura load/store: gli operandi dell ALU possono provenire dai registri ma non dalla memoria. Per il trasferimento dei dati da memoria ai registri e viceversa si utilizzano delle apposite operazioni di caricamento (load) e di memorizzazione (store). Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 15 I registri del processore MIPS I registri sono associati alle variabili di un programma dal compilatore Un processore possiede un numero limitato di registri: ad esempio il processore MIPS possiede 32 registri composti da 32-bit (word) Per convenzione si usano nomi simbolici preceduti da $ per denotare i registri, ad esempio: $s0, $s1,... Per indicare variabili in C $t0, $t1,... Per indicare variabili temporanee I registri possono essere anche direttamente indicati mediante il loro numero (0,, 31) preceduto da $: ad es. $0, $1,, $31 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 16 8

9 I registri del processore MIPS Esistono dei registri special purpose per l esecuzione di alcune operazioni Esistono 32 registri per le operazioni floating point (virgola mobile) indicati come $f0,, $f31 Per le operazioni in doppia precisione si usano i registri contigui $f0, $f2, $f4, Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 17 Esempio di compilazione da C ad assembly usando registri Si consideri il seguente segmento di programma C che utilizza 5 variabili (f, g, h, i e j): f = (g + h) (i + j) Il compilatore associa alle variabili presenti nel programma i registri presenti nella CPU. Ad es. le variabili (f, g, h, i e j): sono associate ai registri $s0, $s1, $s2, $s3 e $s4 Il compilatore introduce due variabili temporanee (t0 e t1) che associa a due registri temporanei $t0 e $t1 add $t0, $s1, $s2 # var. temp t0 g + h add $t1, $s3, $s4 # var. temp. t1 i + j sub $s0, $t0, $t1 # f t0 t1 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 18 9

10 Formato delle istruzioni MIPS Tutte le istruzioni MIPS hanno la stessa dimensione (32 bit) I 32 bit hanno un significato diverso a seconda del formato (o tipo) di istruzione il tipo di istruzione è riconosciuto in base al valore di alcuni bit (6 bit) più significativi (codice operativo - OPCODE) Le istruzioni MIPS sono di 3 tipi (formati): Tipo R (register) Istruzioni aritmetico-logiche Tipo I (immediate) Istruzioni di accesso alla memoria o contenenti delle costanti Tipo J (jump) Istruzioni di salto Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 19 Istruzioni aritmetico-logiche In MIPS, un istruzione aritmetico-logica possiede tre operandi: i due registri contenenti i valori da elaborare (registri sorgente) e il registro contenente il risultato (registro destinazione). L ordine degli operandi è fisso: prima il registro contenente il risultato dell operazione e poi i due operandi. L istruzione assembly contiene il codice operativo e tre campi relativi ai tre operandi: OPCODE DEST, SORG1, SORG2 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 20 10

11 Esempio: istruzione add add serve per sommare il contenuto di due registri sorgente rs e rt: add rd, rs, rt e mettere la somma del contenuto di rs e rt in rd add rd, rs, rt # rd rs + rt Codice C: R = A + B Codice MIPS: add $s0, $s1, $s2 Nella traduzione da linguaggio ad alto livello a linguaggio assembly, le variabili sono associate ai registri dal compilatore Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 21 Esempio: istruzione sub sub serve per sottrarre il contenuto di due registri sorgente rs e rt: sub rd rs rt e mettere la differenza del contenuto di rs e rt in rd sub rd, rs, rt # rd rs - rt Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 22 11

12 Istruzioni aritmetico-logiche Operazioni con un numero di operandi maggiore di tre possono essere effettuate scomponendole in operazioni più semplici. Ad esempio, per eseguire la somma delle variabili b, c, d ed e nella variabile a servono tre istruzioni : Codice C: A = B + C + D + E Codice MIPS: add $t0, $s1, $s2 add $t0, $t0, $s3 add $s0, $t0, $s4 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 23 add: varianti addi $s1, $s2, 100 #add immediate Somma una costante: il valore del secondo operando è presente nell istruzione come costante e sommata estesa in segno addu $s0, $s1, $s2 #add unsigned Evita overflow: la somma viene eseguita tra numeri senza segno addiu $s0, $s1, 100 #add immediate unsigned Somma una costante ed evita overflow Nota: C ignora overflow, quindi genera unsigned Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 24 12

13 Moltiplicazione Due istruzioni: mult rs rt multu rs rt # unsigned Il registro destinazione è implicito. Il risultato della moltiplicazione viene posto sempre in due registri dedicati (special purpose) denominati hi (High order word) e lo (Low order word) La moltiplicazione di due numeri rappresentabili con 32 bit può dare come risultato un numero non rappresentabile in 32 bit Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 25 Moltiplicazione Il risultato della moltiplicazione si preleva dal registro hi e dal registro lo utilizzando le due istruzioni: mfhi rd # move from hi Sposta il contenuto del registro hi nel registro rd mflo rd # move from lo Sposta il contenuto del registro lo nel registro rd Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 26 13

14 Divisione Due istruzioni: div rs rt divu rs rt #divide rs per rt #unsigned Come nella moltiplicazione, anche nella divisione il registro destinazione è implicito. Il quoziente della divisione è posto nel registro lo, mentre il resto è posto nel registro Hi Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 27 Istruzioni aritmetiche Gli operandi di una istruzione aritmetica devono risiedere nei registri I registri del MIPS sono 32 Cosa succede ai programmi i cui dati richiedono più di 32 registri? Alcuni dati risiedono in memoria (Register Spilling) Servono istruzioni apposite per trasferire dati da memoria a registri e viceversa Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 28 14

15 Istruzioni di trasferimento dati MIPS fornisce due operazioni base per il trasferimento dei dati: lw (load word) per trasferire una parola di memoria in un registro sw (store word) per trasferire il contenuto di un registro in una parola di memoria lw e sw richiedono come argomento l'indirizzo della locazione di memoria sulla quale devono operare Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 29 La memoria nel MIPS I contenuti delle locazioni di memoria possono rappresentare sia istruzioni sia dati. La memoria è vista come un unico grande array uni-dimensionale Un indirizzo di memoria costituisce un indice all interno dell array MIPS utilizza un indirizzamento al byte, cioè l indice punta ad un byte di memoria byte consecutivi hanno indirizzi consecutivi indirizzi di parole consecutive (adiacenti) differiscono di un fattore 4 (8-bit x 4 = 32-bit). Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 30 15

16 Indirizzamento dei byte all interno della parola 32-bit = 1 Word 1 Byte 8-bit 1 Byte 8-bit 1 Byte 8-bit 1 Byte 8-bit In MIPS ogni parola (word) deve iniziare ad un indirizzo multiplo di 4 Half word (16-bit) allineate ai multipli di 2 Per convenzione l'indirizzo di una parola coincide con l'indirizzo del suo byte più a sinistra (disposizione big-endian) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 31 Indirizzamento della memoria bit 32 bit 32 bit 32 bit Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 32 16

17 Organizzazione logica della memoria Nei sistemi basati su processore MIPS la memoria è solitamente divisa in tre parti: Segmento testo: contiene le istruzioni del programma Segmento dati: ulteriormente suddiviso in: dati statici: contiene dati la cui dimensione è conosciuta al momento della compilazione e il cui intervallo di vita coincide con l'esecuzione del programma dati dinamici: contiene dati ai quali lo spazio è allocato dinamicamente al momento dell esecuzione del programma su richiesta del programma stesso. Segmento stack: contiene lo stack allocato automaticamente da un programma durante l esecuzione. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 33 Organizzazione logica della memoria Stack Dati Dinamici Dati Statici Testo Riservata Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 34 17

18 Istruzione load L istruzione di load trasferisce una copia dei dati/istruzioni contenuti in una specifica locazione di memoria ai registri della CPU, lasciando inalterata la parola di memoria: load r1, LOC # r1 [LOC] La CPU invia l indirizzo della locazione desiderata alla memoria e richiede un operazione di lettura del suo contenuto. La memoria effettua la lettura dei dati memorizzati all indirizzo specificato e li invia alla CPU. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 35 Istruzione store L istruzione di store trasferisce una parola di informazione dai registri della CPU in una specifica locazione di memoria, sovrascrivendo il contenuto precedente di quella locazione: store r2, LOC # [LOC] r2 La CPU invia l indirizzo della locazione desiderata alla memoria, assieme con i dati che vi devono essere scritti e richiede un operazione di scrittura. La memoria effettua la scrittura dei dati all indirizzo specificato. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 36 18

19 Istruzione lw Nel MIPS, l'istruzione lw ha tre argomenti: il registro destinazione in cui caricare la parola letta dalla memoria una costante o spiazzamento (offset) un registro base (base register) che contiene il valore dell indirizzo base (base address) da sommare alla costante. L'indirizzo della parola di memoria da caricare nel registro destinazione è ottenuto dalla somma della costante e del contenuto del registro base. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 37 Istruzione lw: trasferimento da memoria a registro lw $s1, 100($s2) # $s1 M[$s ] Al registro destinazione $s1 è assegnato il valore contenuto all'indirizzo di memoria ($s ) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 38 19

20 Istruzione sw: trasferimento da registro a memoria Possiede argomenti analoghi alla lw Esempio: sw $s1, 100($s2) # M[$s ] $s1 Alla locazione di memoria di indirizzo ($s ) è assegnato il valore contenuto nel registro $s1 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 39 lw & sw: esempio di compilazione Codice C: A[12] = h + A[8]; Si suppone che: la variabile h sia associata al registro $s2 l indirizzo del primo elemento dell array (base address) sia contenuto nel registro $s3 Codice MIPS: lw $t0, 32($s3) # $t0 M[$s3 + 32] add $t0, $s2, $t0 # $t0 $s2 + $t0 sw $t0, 48($s3) # M[$s3 + 48] $t0 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 40 20

21 Array s3 s3 + 4 s3 + 8 A[0] A[1] A[2].. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 41 Array L elemento i-esimo di un array si troverà nella locazione br + 4 * i dove: br è il registro base; i è l indice ad alto livello; il fattore 4 dipende dall indirizzamento al byte della memoria nel MIPS Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 42 21

22 Array: esempio Sia A un array di 100 word Istruzione C: g = h + A[i] Si suppone che: le variabili g, h, i siano associate rispettivamente ai registri $s1, $s2, ed $s4 l indirizzo del primo elemento dell array (base address) sia contenuto nel registro $s3 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 43 Array: esempio L elemento i-esimo dell array si trova nella locazione di memoria di indirizzo ($s3 + 4 * i). Caricamento dell indirizzo di A[i] nel registro temporaneo $t1: add $t1, $s4, $s4 # St1 2 * i add $t1, $t1, $t1 # $t1 4 * i add $t1, $t1, $s3 # $t1 add. of A[i] # that is ($s3 + 4 * i) Per trasferire A[i] nel registro temporaneo $t0: lw $t0, 0($t1) # $t0 A[i] Per sommare h e A[i] e mettere il risultato in g: add $s1, $s2, $t0 # g = h + A[i] Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 44 22

23 Register Spilling I programmi in genere possiedono più variabili dei registri della CPU. Il compilatore cerca di mantenere le variabili usate più frequentemente nei registri e le altre variabili in memoria, usando istruzioni di load/store per trasferire le variabili tra registri e memoria. La tecnica di mettere le variabili meno usate (o usate successivamente) in memoria viene chiamata Register Spilling. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 45 Le strutture di controllo Queste istruzioni: Alterano l ordine di esecuzione delle istruzioni: La prossima istruzione da eseguire non è l istruzione successiva all istruzione corrente Permettono di eseguire cicli e condizioni In assembly le strutture di controllo sono molto semplici e primitive Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 46 23

24 Istruzioni di salto condizionato e incondizionato Istruzioni di salto: viene caricato un nuovo indirizzo nel contatore di programma (PC) invece dell indirizzo seguente l indirizzo di salto secondo l ordine sequenziale delle istruzioni. Istruzioni di salto condizionato (conditional branch): il salto viene eseguito solo se una certa condizione risulta soddisfatta. Esempi: beq (branch on equal) e bne (branch on not equal) beq r1, r2, L1 # go to L1 if (r1 == r2) bne r1, r2, L1 # go to L1 if (r1!= r2) Istruzioni di salto incondizionato ( unconditional jump): il salto viene sempre eseguito. Esempi: j (jump) e jr (jump register) e jal (jump and link) j L1 # go to L1 jr r31 # go to add. contained in r31 jal L1 # go to L1. Save add. of next # instruction in reg. ra Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 47 Esempio if then Codice C: if (i==j) f=g+h; Si suppone che le variabili f, g, h, i e j siano associate rispettivamente ai registri $s0, $s1, $s2, $s3 e $s4 Codice MIPS: Lab1: bne $s3, $s4, Lab1 # go to Lab1 if i j add $s0, $s1, $s2 # f=g+h (skipped if i j) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 48 24

25 Codice C: Esempio if then else if (i==j) f=g+h; else f=g-h; Si suppone che le variabili f, g, h, i e j siano associate rispettivamente ai registri $s0, $s1, $s2, $s3 e $s4 Codice MIPS: bne $s3, $s4, Else # go to Else if i j add $s0, $s1, $s2 # f=g+h (skipped if i j j Exit # go to Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 # f=g-h (skipped if i = j) Exit: Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 49 Esempio: do while Codice C: do g = g + A[i]; i = i + j; while (i!= h) Si suppone che g e h siano associate a $s1 e $s2, i e j associate a $s3 e $s4 e che $s5 contenga il base address di A. Si noti che il corpo del ciclo modifica la variabile i devo moltiplicare i per 4 ad ogni iterazione del ciclo Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 50 25

26 Esempio: do while Codice MIPS: Loop: add $t1, $s3, $s3 # $t1 2 * i add $t1, $t1, $t1 # $t1 4 * i add $t1, $t1, $s5 # $t1 add. of A[i] lw $t0, 0($t1) # $t0 A[i] add $s1, $s1, $t0 # g g + A[i] add $s3, $s3, $s4 # i i + j bne $s3, $s2, Loop # go to Loop if i h Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 51 Esempio: while Codice C: while (A[i] == k) i = i + j; Si suppone che i, j e k siano associate a $s3, $s4, e $s5 e che $s6 contenga il base address di A Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 52 26

27 Esempio: while Codice MIPS: Loop: add $t1, $s3, $s3 # $t1 2 * i add $t1, $t1, $t1 # $t1 4 * i add $t1, $t1, $s6 # $t1 add. of A[i] lw $t0, 0($t1) # $t0 A[i] bne $t0, $s5, Exit # go to Exit if A[i] k add $s3, $s3, $s4 # i i + j j Loop # go to Loop Exit: Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 53 Registro $zero Spesso la verifica di uguaglianza richiede il confronto con il valore 0 per rendere più veloce il confronto, in MIPS il registro $zero contiene il valore 0 e non può mai essere utilizzato per contenere altri dati. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 54 27

28 Istruzioni di salto condizionato e incondizionato Il processore tiene traccia di alcune informazioni sui risultati di operazioni per usarle nelle condizioni di successive istruzioni di salto condizionato. Tali informazioni sono memorizzate in bit o flag denominati codici di condizione. Il registro di stato o registro dei codici di condizione contiene i flag dei codici di condizione. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 55 Istruzioni di salto condizionato e incondizionato I quattro flag dei codici di condizione più usati sono: N (negativo) Z (zero) V (overflow) C (riporto) # posto a 1 se il risultato è negativo; # altrimenti posto a 0 # posto a 1 se il risultato è zero; # altrimenti posto a 0 # posto a 1 se si verifica un overflow # aritmetico; altrimenti posto a 0 # posto a 1 se dall operazione risulta # un riporto; altrimenti posto a 0 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 56 28

29 Strutture di controllo Spesso è utile condizionare l esecuzione di una istruzione al fatto che una variabile sia minore di una altra: slt $s1, $s2, $s3 # set on less than Assegna il valore 1 a $s1 se $s2 < $s3; altrimenti assegna il valore 0 Con slt, beq e bne si possono implementare tutti i test sui valori di due variabili (=,!=, <, <=, >,>=) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 57 Esempio if (i < j) then k = i + j; else k = i - j; #$s0 ed $s1 contengono i e j #$s2 contiene k slt $t0, $s0, $s1 beq $t0, $zero, Else add $s2, $s0, $s1 j Exit Else: sub $s2, $s0, $s1 Exit: Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 58 29

30 Pseudoistruzioni Per semplificare la programmazione, MIPS fornisce un insieme di pseudoistruzioni Le pseudoistruzioni sono un modo compatto ed intuitivo di specificare un insieme di istruzioni Non hanno un corrispondente 1 a 1 con le istruzioni dell ISA. La traduzione della pseudoistruzione nelle istruzioni equivalenti è attuata automaticamente dall assemblatore Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 59 Esempio move $t0, $t1 add $t0, $zero, $t1 mul $s0, $t1, $t2 mult $t1, $t2 mfhi $s0 div $s0, $t1, $t2 div $t1, $t2 mflo $s0 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 60 30

31 Linguaggio macchina Le istruzioni in linguaggio assembly devono essere tradotte in linguaggio macchina (cioè in sequenze di 0 e 1) per poter essere eseguite. Le istruzioni in linguaggio macchina sono lunghe 32 bit (come i registri e le parole di memoria). Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 61 Linguaggio macchina E necessaria una convenzione per rappresentare i registri tramite numeri. In MIPS: $zero fi 0, $at fi 1 (registro riservato) $v0, $v1 fi 2, 3 $a0 - $a3 fi 4-7 $t0 - $t7 fi 8-15 $s0 - $s7 fi $t8, $t9 fi 24, 25 $k0, $k1 fi 26, 27 (registri riservati) $gp, $sp, $fp, $ra fi 28, 29, 30, 31 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 62 31

32 Formato istruzioni aritmetiche La rappresentazione binaria di un istruzione assembly è composta da 32 bit (la stessa dimensione di una parola di memoria) e rispetta il seguente formato (tipo R) nel caso di istruzione aritmetico-logica tra registri. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 63 Formato istruzioni di tipo R op rs rt rd shamt funct 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit Ai vari campi sono stati assegnati dei nomi mnemonici: op: (opcode) identifica il tipo di istruzione rs: registro contenente il primo operando sorgente rt: registro contenente il secondo operando sorgente rd: registro destinazione contenente il risultato shamt: shift amount (scorrimento) funct: indica la variante specifica dell operazione Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 64 32

33 Istruzioni di tipo R: esempio add $t0, $s1, $s x Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 65 Istruzioni di tipo R Istruzioni aritmetico-logiche con il tipo di formato visto, vengono chiamate di tipo R (registro). Esempi: somma, prodotto, divisione shift (scorrimento) AND, OR, NOT Le diverse istruzioni aritmetico-logiche si distinguono tra loro in base al campo funct. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 66 33

34 Istruzioni di tipo R: esempi Nome campo op rs rt rd shamt funct Dimensione 6-bit 6-bit add $s1, $s2, $s Nome campo op rs rt rd shamt funct Dimensione 6-bit 6-bit sub $s1, $s2, $s Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 67 Linguaggio macchina Il formato delle istruzioni di tipo R non è adatto a rappresentare istruzioni di load/store. Alla costante (offset) delle istruzioni lw e sw sarebbe riservato un campo di 5 bit (le costanti sarebbero al massimo di dimensione 2 5 = 32) Per le istruzioni di load/store si utilizza un formato diverso (tipo I) utilizzando sempre 32 bit complessivi Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 68 34

35 Formato istruzioni di tipo I op rs rt indirizzo 6 bit 5 bit 5 bit 16 bit In questo caso, i campi hanno il seguente significato: op identifica il tipo di istruzione; rs indica il registro base; rt indica il registro destinazione dell istruzione di caricamento; indirizzo riporta lo spiazzamento (offset). Con questo formato una istruzione lw (sw) può indirizzare parole nell intervallo rispetto all indirizzo base. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 69 Istruzioni di tipo I: esempio lw $t0, 32($s3) x8E Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 70 35

36 Istruzioni di tipo I: esempi Il secondo tipo di formato istruzioni è il formato per le istruzioni di load/store: Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione lw $t0, 32 ($s3) 6-bit bit Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione sw $t0, 32 ($s3) 6-bit bit Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 71 Esempio A[300] = h + A[300] lw $t0, 1200($t1) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 1200($t1) $s2 h $t1 Indirizzo base di A Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 72 36

37 Esempio (cont.) x8D2804B0 0x xAD2804B0 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 73 Istruzioni di tipo I: esempi Il tipo I è il formato per le istruzione con operandi immediati: ad esempio addi (addition immediate) e slti (set less than immediate) Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione 6-bit 16-bit addi $s1, $s1, Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione 6-bit 16-bit slti $t0, $s2, # $t0 =1 if $s2 < 8 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 74 37

38 Istruzioni di salto Salti condizionati (indirizzamento relativo): beq r1, r2, L1 (branch on equal) bne r1, r2, L1 (branch on not equal) Salti incondizionati (indirizzamento assoluto): j L1 (jump) jr r (jump register) jal L1 (jump and link) (chiamata a procedura) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 75 Istruzioni di salto Salti condizionati (indirizzamento relativo): Il flusso sequenziale di controllo cambia solo se la condizione è vera. Il calcolo del valore dell etichetta L1 (indirizzo di destinazione del salto) è relativo al Program Counter (PC). Salti incondizionati (indirizzameno assoluto): Il salto viene sempre eseguito. L indirizzo di destinazione del salto è un indirizzo assoluto di memoria. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 76 38

39 Formato istruzioni di tipo I op rs rt indirizzo 6 bit 5 bit 5 bit 16 bit Nel caso di salti condizionati, i campi hanno il seguente significato: op identifica il tipo di istruzione; rs indica il primo registro; rt indica il secondo registro; indirizzo riporta lo spiazzamento (offset). Per l offset si hanno a disposizione solo 16-bit del campo indirizzo rappresentano un indirizzo di parola relativo al PC (PC-relative word address) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 77 Istruzioni di salto condizionato (tipo I) L indirizzamento relativo al Program Counter permette di fare dei salti condizionati ad aree di memoria il cui indirizzo non è esprimibile con 16-bit Esempio: bne $s0, $s1, L1 Per esprimere l etichetta L1 si hanno a disposizione solo 16-bit il valore di L1 è calcolato rispetto al Program Counter in modo da saltare di 2 15 parole avanti o indietro rispetto all istruzione corrente. Per il principio di località degli indirizzi di memoria è utile calcolare l indirizzo di destinazione del salto come offset rispetto all istruzione corrente. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 78 39

40 Istruzioni di salto condizionato (tipo I) I 16-bit del campo indirizzo esprimono l offset rispetto al PC rappresentato in complemento a due per permettere salti in avanti e all indietro. L offset varia tra 2 15 e Esempio: bne $s0, $s1, L1 L assemblatore sostituisce l etichetta L1 con l indirizzo di parola relativo a PC: (L1- PC)/4 PC contiene già l indirizzo dell istruzione successiva al salto La divisione per 4 serve per calcolare l indirizzo di parola Il valore del campo indirizzo può essere negativo (salti all indietro) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 79 Istruzioni di salto condizionato (tipo I) Indirizzare una parola (4-Byte) corrisponde alla divisione per 4 (ottimizzazione possibile grazie alla memoria indirizzata al byte) Esempio I due bit meno significativi sono sempre 00 Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione 6-bit 16-bit beq $s1, $s2, Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 80 40

41 Esempio Loop: add $t1, $s3, $s3 8000: bne $t0, $s5, Exit 80016: add $s3, $s3, $s4 j Loop Exit: 80028: Exit... 2 = ( ) / 4 Nota: quando si esegue la bne, PC punta già all istruzione successiva (80020) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 81 Formato istruzioni di tipo J Il terzo tipo di formato istruzione (Formato J) è il formato usato per le istruzioni di salto incondizionato (jump): op indirizzo 6 bit 26 bit In questo caso, i campi hanno il seguente significato: op indica il tipo di operazione; indirizzo (composto da 26-bit) riporta una parte (26 bit su 32) dell indirizzo assoluto di destinazione del salto. I 26-bit del campo indirizzo rappresentano un indirizzo di parola (word address) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 82 41

42 Istruzioni di salto incondizionato (tipo J) L assemblatore sostituisce l etichetta L1 con i 28 bit meno significativi traslati a destra di 2 (divisione per 4 per calcolare l indirizzo di parola) per ottenere 26-bit In pratica elimina i due 0 finali Si amplia lo spazio di salto: si salta tra 0 e 2 28 Byte (2 26 word) I 26-bit di indirizzo nelle jump rappresentano un indirizzo di parola (word address) corrispondono ad un indirizzo di byte (byte address) composto da 28-bit. Poiché il registro PC è composto da 32-bit l istruzione jump rimpiazza solo i 28-bit meno significativi del PC, lasciando inalterati i rimanenti 4-bit più significativi. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 83 Istruzioni di tipo J: esempio Nome campo op indirizzo Dimensione 6-bit 26-bit j Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 84 42

43 Salti incondizionati di dimensioni maggiori Per saltare ad indirizzi superiori a 2 28 Byte si usa l istruzione: jr rs (jump register con formato R) Salta all indirizzo di memoria assoluto contenuto nel registro rs (spazio di 2 32 Byte cioè 2 30 word : intero spazio di memoria) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 85 Salti condizionati di dimensioni maggiori beq $s0, $s1, L1 L2: bne $s0, $s1, L2 j L1 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 86 43

44 Formato istruzioni I diversi formati (R, I, J) vengono riconosciuti tramite il valore del primo campo, codice operativo (opcode), che indica alla macchina come trattare i rimanenti bit dell istruzione. R I J 6-bit 6-bit op rs rt rd shamt funct op rs rt indirizzo op indirizzo Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 87 Modalità di indirizzamento Le modalità di indirizzamento indicano le diverse modalità attraverso le quali far riferimento agli operandi nelle istruzioni. L esempio più comune di modalità di indirizzamento è l indirizzamento a registro nel quale gli operandi dell istruzione sono contenuti nei registri: ad esempio add $s0, $s1, $s2. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 88 44

45 Modalità di indirizzamento MIPS ha solo 5 modalità di indirizzamento: A registro Immediato Con base o spiazzamento Relativo al Program Counter Pseudo-diretto Una singola istruzione può usare più di una modalità di indirizzamento. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 89 Indirizzamento a registro L operando (l indirizzo) è il contenuto di un registro della CPU: il nome del registro è specificato nell istruzione. Indirizzamento a Registro op rs rt rd shamt funct Operando Rn Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 90 45

46 Indirizzamento a registro Le istruzioni che usano questo tipo di indirizzamento hanno formato di tipo R. Esempio: istruzione aritmetico-logica: Nome campo op rs rt rd shamt funct Dimensione 6-bit 6-bit add $s1, $s2, $s Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 91 Indirizzamento immediato L operando è una costante il cui valore è contenuto nell istruzione. L indirizzamento immediato si usa per specificare il valore di un operando sorgente, non ha senso usarlo come destinazione. Indirizzamento Immediato op rs rt Operando Le istruzioni che usano questo tipo di indirizzamento hanno formato I La costante è memorizzata nel campo a 16-bit Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 92 46

47 Indirizzamento immediato Esempio: operazione aritmetico-logica con operando immediato (formato tipo I): Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione addi $s1, $s1, 4 6-bit bit Esempio: operazione di confronto con operando immediato (formato tipo I): Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione slti $t0, $s2, 8 6-bit bit Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 93 Indirizzamento con base L operando è in una locazione di memoria il cui indirizzo si ottiene sommando il contenuto di un registro base ad un valore costante (offset o spiazzamento) contenuto nell istruzione. Indirizzamento con base op rs rt Offset Memoria Indirizzo Parola Rn Le istruzioni che usano questo tipo di indirizzamento hanno formato di tipo I. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 94 47

48 Indirizzamento con base Esempio: istruzione di load lw $t0, 32 ($s3) L operando di trova in memoria all indirizzo 32+[$s3] Esempio: istruzione di store sw $t0, 32 ($s3) L operando viene copiato in memoria all indirizzo 32+[$s3] Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 95 Indirizzamento con base Esempio: Istruzioni di load/store (formato tipo I): Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione 6-bit 16-bit lw $t0, 32 ($s3) Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione 6-bit 16-bit sw $t0, 32 ($s3) Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 96 48

49 Indirizzamento relativo al PC L operando è in una locazione di memoria il cui indirizzo si ottiene sommando il contenuto del Program Counter ad un valore costante (offset o spiazzamento) contenuto nell istruzione: Indirizzamento relativo al PC op rs rt Offset Memoria PC Indirizzo Parola Le istruzioni che usano questo tipo di indirizzamento hanno formato di tipo I. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 97 Indirizzamento relativo al PC Esempio: Operazione di salto condizionato (formato tipo I): Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione beq $s1, $s2, bit bit Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione bne $s1, $s2, bit bit Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 98 49

50 Indirizzamento relativo al PC Si usa l indirizzamento relativo al PC nei salti condizionati in quanto la destinazione del salto in tali istruzioni è in genere prossima al punto di salto. Avendo a disposizione 16 bit di Offset è possibile saltare in un area tra 2 15 e parole rispetto all istruzione corrente. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 99 Indirizzamento pseudo-diretto Una parte dell indirizzo è presente come valore costante (offset) nell istruzione ma deve essere completato. Le istruzioni che usano questo tipo di indirizzamento hanno formato di tipo J. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano

51 Indirizzamento pseudo-diretto L indirizzo di salto si calcola facendo uno shift a sinistra di 2 bit dei 26-bit di offset contenuti nell istruzione (aggiungendo 00 nei bit meno significativi per passare da 26 a 28-bit) e concatenando i 28-bit con i 4-bit più significativi del Program Counter. Indirizzamento pseudo-diretto op Offset Memoria PC Indirizzo : Parola Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 101 Indirizzamento pseudo-diretto Esempio: operazione di salto incondizionato (formato J) Nome campo op indirizzo Dimensione 6-bit 26-bit j Cristina Silvano Università degli Studi di Milano

52 Utilizzo di costanti Spesso le operazioni richiedono l uso di costanti (ad esempio: somma del valore decimale 4 al contenuto di un registro). Possibili 3 opzioni: le costanti risiedono in memoria e sono caricate con lw utilizzo di registri speciali (es: $zero) utilizzare versioni alternative delle istruzioni di tipo I in cui un operando è una costante utilizzo di modalità di indirizzamento immediato La costante è memorizzata nel campo di 16 bit denominato indirizzo. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 103 Esempi addi $s0, $s0, 4 # $s0 $s0 + 4 (sign-extended) slti $t0, $s2, 10 # $t0 = 1 if $s2 < 10 andi $s0, $s0, 6 # $s0 $s0 and 6 (zero-extended) ori $s0, $s0, 10 # $s0 $s0 or 10 (zero-extended) li $s0, 20 # $s0 20 (pseudo-instruction) Le istruzioni di tipo I consentono di rappresentare costanti esprimibili in 16 bit. I valori immediati sono espressi in assembly in rappresentazione decimale ma possono anche essere esadecimali o binari Cristina Silvano Università degli Studi di Milano

53 Gestione di costanti su 32-bit Le istruzioni di tipo I consentono di rappresentare costanti esprimibili in 16 bit (valore massimo unsigned). Se 16 bit non sono sufficienti per rappresentare la costante, l assemblatore (o il compilatore) deve fare due passi: si utilizza l istruzione lui (load upper immediate) per caricare i 16 bit più significativi della costante nei 16-bit più significativi di un registro. I rimanenti 16-bit meno significativi del registro sono posti a 0. una successiva istruzione specifica i rimanenti 16 bit meno significativi della costante. Il registro $at è riservato all assemblatore per creare costanti su 32-bit (costanti lunghe ). Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 105 Istruzione lui: formato tipo I L istruzione load upper immediate: lui rt, imm carica i 16-bit del campo immediato nei 16-bit più significativi del registro rt. I rimanenti 16-bit meno significativi del registro rt sono posti a 0. Nome campo op rs rt indirizzo Dimensione lui $s0, 61 6-bit bit Pseudo-istruzione: li rdest, imm carica il valore imm nel registro rdest. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano

54 Istruzione lui: esempio 1 Si consideri la costante a 32 bit: lui $s0, 61 # 61 = valore di $s0: addi $s0, $s0, 2304 # 2304 = valore di $s0: Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 107 Istruzione li: esempio Si consideri la costante a 32-bit: 1CE49 16 ( ) bit più significativi 16-bit meno significativi corrispondenti al valore 1 16 corrispondenti al valore CE49 16 Si consideri l istruzione: li $t1, 0x1CE49 # $t1 0x1CE49 Cristina Silvano Università degli Studi di Milano

55 Istruzione li: esempio L assemblatore sostituisce l istruzione originale con le seguenti istruzioni: lui $at, ox1 # 0x1 = valore di $at: ori $t1, $at, 0xCE49 # $t1 $at or 0xCE49 valore di $t1: Cristina Silvano Università degli Studi di Milano 109 Creazione di costanti su 32-bit L istruzione addi esegue estensione di segno cioè copia il bit più a sinistra del campo immediato di 16-bit dell istruzione nei 16-bit più significativi. L istruzione ori esegue estensione di zero cioè carica tutti zeri nei 16-bit più significativi. L istruzione ori è usata dall assemblatore assieme con l istruzione lui per creare costanti su 32-bit. Cristina Silvano Università degli Studi di Milano