La scorsa lezione. Laboratorio di Architettura. passaggio parametri. Riassunto. Lezione 7. Procedure Convenzioni di chiamata Stack

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1 La scorsa lezione Laboratorio di Architettura Lezione 7 Andrea Torsello Procedure Convenzioni di chiamata Stack Dipartimento di Informatica Università Ca Foscari di Venezia Riassunto p.1/55 p.2/55 passaggio parametri Chiamata alla procedura B tradotta attraveso jal indirizzodib l indirizzo di ritorno viene scritto in $ra la procedura ritorna con jr $ra I parametri ed i risultati si possono passare in dei registri C è bisogno di un accordo Esiste un convenzione per tutti i sistemi MIPS. p.3/55 p.4/55

2 Convenzioni di chiamata $zero: quando letto dà sempre 0 $at: riservato per l assembler (usato per le pseudoistruzioni) $v0, $v1: risultato di espressioni/funzioni $a0...$a3: primi 4 argomenti di una procedura/funzione $t0...$t7: registri temporanei, il contenuto non spravvive una chiamata di procedura $s0...$s7: registri temporanei salvati, il contenuto spravvive una chiamata di procedura $t8, $t9: altri 2 registri temporanei che non sopravvivono le procedure Convenzioni di chiamata $k0, $k1: riservati per il sistema operativo $gp, $sp, $fp: vedremo più avanti $ra: return address, scritto da jal e usato per ritornare da procedure p.5/55 p.6/55 Problema Nomi Dobbiamo evitare i side-effects dobbiamo salvare i valori prima di chiamare un altra procedura, e poi rimetterli al loro posto Per far questo, abbiamo visto un semplice metodo Ci si sceglie posticino tranquillo per noi, un indirizzo in memoria, gli si dà un nome, e si usa quello come una variabile di salvataggio p.7/55 p.8/55

3 Limitazioni? Problema dei nomi Lo spazio è usato solo quando la funzione viene chiamata Ogni funzione ha dello spazio inutilizzato per la maggior pate del tempo. Funziona sempre? No! (Funzioni ricorsive). Ora i nomi non sono più posti tranquilli e riservati per noi, visto che ci servono per fare cose diverse in situazioni diverse Per cui, salvare in delle variabili fisse non funziona nel caso in cui la procedura chiami se stessa (direttamente o indirettamente) Nomi II p.9/55 p.10/55 Sequenzialità Nomi diversi: hanno la buona proprietà che possiamo fare cose anche parallelamente: ognuno mette i suoi dati in posti diversi Però, noi in questo ambito non abbiamo processi paralleli Le operazioni che facciamo sono sempre sequenziali: prima qualcuno fa qualcosa, poi un altro fa qualcos altro, e cosi via In ogni momento, c è solo un programma attivo p.11/55 p.12/55

4 Dunque... Stack Possiamo sfruttare questo fatto per immagazzinare le nostre variabili: USIAMO UN UNICO POSTO per tutti Un posto che permette di salvare più dati LO STACK È un punto dove noi possiamo mettere e togliere dati Come un mazzo di carte: PUSH (mette una carta in cima al mazzo) POP (toglie la carta in cima al mazzo) Funziona? p.13/55 p.14/55 Perché funziona Per il senso civico Se tutti puliscono dopo che hanno fatto, non si accumula spazzatura e tutto va bene Perché in ogni momento c è solo una sola procedura che mette le carte. E spetta a lei, quando ha finito, togliere le carte che ha messo nel mazzo In questo modo, ognuno quando ha finito lascia le cose esattamente come stavano Come funziona Dobbiamo semplicemente implementare in qualche modo le istruzioni di PUSH (metti) e POP (togli) C è un registro apposito per implementare lo stack: sp (stack pointer, puntatore allo stack) p.15/55 p.16/55

5 PUSH (metti) POP (togli) PUSH(registro) mette un registro sullo stack addi $sp,$sp,-4 # fa spazio sullo stack sw registro,0($sp) # mette il registro nello # stack POP toglie il primo elemento dello stack (e lo mette da qualche parte) lw registro,0($sp) #copia il primo elemento #dello stack nel registro addi $sp,$sp,4 #libera lo stack p.17/55 Interrogativo E allora? p.18/55 Serve veramente la ricorsione?...no! Risultato fondamentale: si può sempre modificare il programma dimodoché non ci sia ricorsione Il problema è lo stesso di Mr. Minimal: a volte è molto più conveniente usare la ricorsione Senza, rischiamo che la soluzione sia molto più complicata da scrivere Inoltre, nei moderni linguaggi di programmazione, la ricorsione è molto facile da scrivere (tocca poi al linguaggio macchina fare il lavoro) p.19/55 p.20/55

6 Attenzione Esercizio A volte la ricorsione è facile da scrivere, ma molto meno efficiente di un calcolo più diretto non ricorsivo Ad esempio, i numeri di Fibonacci... F(9) = F(8) + F(7) = F(7) + F(6) + F(6) + F(5)=... Provate a scrivere un programma più efficiente per calcolare i numeri di Fibonacci che non usi la ricorsione p.21/55 p.22/55 Lo stack Lo stack Lo stack è uno spazio di memoria... privato: ogni chiamata funzione ne ha uno suo e anche se la stessa funzione viene chiamata più volte (ricorsione) questi spazi non collidono dinamico: la dimensione si adatta alle necessità (ne uso di più o di meno a seconda delle necessità) Viene usato per salvare e poi ripristinare i registri che non possono essere modificati ($s0,...,$s7,$a0,...$a3,$ra,...) Chi deve salvare i valori nello stack la procedura chiamante o quella chiamata? chi li cambia! $s0,...,$s7 devono essere salvati dalla procedura chiamata se ha intenzione di usarli La procedura chiamante deve salvare $a0,...$a3 prima di inserirvi gli argomeni e quella chiamata deve salvarli prima di modificarne il contenuto La procedura chiamante deve salvare $ra prima di eseguire la jal!!! p.23/55 p.24/55

7 Uso minimo Esempio procedura chiamante La funzione chiamata non deve salvare nulla se scrive solo nei registri temporanei ($t0,...$t9) in quelli dei risultati ($v0,$v1) in quelli non indirizzabili (Hi,Lo,PC) La funzione chiamante deve comunque salvare $ra i registri argomento usati ($a0,...$a3).data x:.word 5 result:.space 4.text main: # salvo ra e a0 # PUSH($ra) addi $sp,$sp,-4 sw $ra,0($sp) # PUSH($a0) addi $sp,$sp,-4 sw $a0,0($sp) # chiamo la procedura quadrato lw $a0,x jal quadrato sw $v0,result # ripristino ra e a0 # POP($a0) lw $a0,0($sp) addi $sp,$sp,4 # POP($ra) lw $ra,0($sp) addi $sp,$sp,4 jr $ra # return p.25/55 Esempio procedura chiamata p.26/55 salvataggio del chiamante quadrato: mult $a0,$a0 mflo $v0 jr $ra Nella maggior parte dei casi l onere del salvataggio è solo della funzione chiamante La procedura chiamante deve salvare i registri soltanto 1 volta e poi può chiamare quante procedure vuole Se le procedure chiamate dovessero salvare i registri ogni volta si rischierebbe di salvare più volte lo stesso valore p.27/55 p.28/55

8 Salvataggio di più registri Esempio Se una funzione deve salvare più registri, muove $sp tante volte quante sono i registri salvati Ottimizziamo! Posso usare solo una addi $sp,$sp,-4*(numero di registri) # PUSH($ra) addi $sp,$sp,-4 sw $ra,0($sp) # PUSH($a0) addi $sp,$sp,-4 sw $a0,0($sp)...e......diventa... addi $sp,$sp,-8 sw $ra,4($sp) sw $a0,0($sp)...e poi scrivo nello slot giusto usando l offset # POP($a0) lw $a0,0($sp) addi $sp,$sp,4 # POP($ra) lw $ra,0($sp) addi $sp,$sp,4...diventa... lw $a0,0($sp) lw $ra,4($sp) addi $sp,$sp,8 Scoping p.29/55 p.30/55 Scoping e Linguaggio Macchina In C le variabli possono essere definite dentro alle funzioni (locali) o fuori (globali) Le variabili globali possono essere lette e scitte da tutte le funzioni Quelle locali sono private delle funzioni in cui sono definite Per ora abbiamo visto solo come implementare variabili globali Direttiva.data Come facciamo a implementare le variabili locali? p.31/55 p.32/55

9 Variabili locali Esempio C Il problema è lo stesso che abbiamo visto per creare spazio privato dove salvare i registri Anche la soluzione è la stessa: usare lo Stack le variabili vengono assegnate allo stack e $sp viene spostato di conseguenza In C: int incrementa(int x) { return x+1; } int incrementa2(int x) { int temp=x+1; return incrementa(temp); } p.33/55 Esempio assembly p.34/55 Frame pointer In assembly: incrementa: addi $v0,$a0,1 jr $ra incrementa2: #fa spazio per temp addi $sp,$sp,-4 addi $v0,$a0,1 sw $v0,0($sp) #salvo $ra e $a0 addi $sp,$sp,-8 sw $ra,4($sp) sw $a0,0($sp) lw $a0,8($sp) #$sp si è mosso! jal incrementa lw $a0,0($sp) lw $ra,4($sp) addi $sp,$sp,8 #elimino lo spazio #riservato per temp addi $sp,$sp,4 jr $ra L offset rispetto allo stack pointer cambia a seguito di movimenti dello stack (inserimenti o rimozioni) Per questo è riservato un registro $fp (frame pointer) che punta alla posizione di $sp all inizio della procedura e non cambia. L uso di questo registro è opzionale dovete assegnare voi il valore a $fp all inizio della procedura (dopo averne salvato il valore nello stack) p.35/55 p.36/55

10 Global pointer Global pointer Esiste un atro registro dall uso opzionale: $gp (global pointer) Questo punta nel mezzo dale sezione.data A cosa serve? A ottimizzare le load delle varabili globali Abbiamo visto che per caricare una variabile locale dobiamo: 1. caricare l indirizzo in un registro (lui + addi/ori) 2. caricare il valore: lw dest,0(reg) Il gobal pointer punta in mezzo ai primi (2 16 ) bytes della sezione global Le variabli globali in quella porzione di indirizzi possono essere caricati con una sola istruzione lw dest,indirizzo($gp)...dove indirizzo individua la variabile. SPIM p.37/55 p.38/55 Configurazione di Memoria SPIM è il simulatore di assembly MIPS C è per Windows e Unix/Linux Puntatori dalla pagina web del corso ( lab-arch) hex : Riservata hex : Comincia il programma (.text) hex : Cominciano i dati (.data) 7FFFFFFF hex : [Stack] hex : [Kernel] p.39/55 p.40/55

11 SPIM e i programmi SPIM e i programmi II Tipicamente, SPIM antepone al programma un programmino per calcolare i dati in input E poi chiama il nostro programma, che assume abbia un etichetta main Il nostro programma dovrà cominciare con un etichetta main....text main: add $t0, $t1, $t2 # comincia il programma Siccome SPIM chiama il nostro programma main con una jal main (jump and link) lo vede come una procedura (parlemo più avanti delle procedure) Alla fine del nostro programma, per uscire, ritorniamo indietro con j $ra.text main: j $ra Numeri p.41/55 p.42/55 Incongruenza In SPIM, i numeri che scriviamo in assembly sono in base 10; se vogliamo un numero esadecimale (base 16) dobbiamo precederlo con 0x Esempi: addi $t0, $t1, 10 #t0 = t1+10 addi $t0, $t1, 0x10 #t0 = t1+16 ATTENZIONE: nella finestra dei registri, i valori sono in esadecimale, anche se non c è nessun 0x a ricordarvelo p.43/55 p.44/55

12 Precauzioni Illegalità Assicuratevi che quando eseguite il programma, la configurazione sia pulita Precauzioni (cont.) Gestione della finestre... Ricordatevi... SPIM (XSPIM, PCSPIM) è un programma come un altro, scritto da una persona come tale, può avere errori o cose strane versione attuale: Ci possono essere istruzioni illegali in un programma Ad esempio, un accesso alla memoria (load/store/jump) che non rispetta il principio di allineamento Oppure, una divisione per zero Che fare? p.45/55 p.46/55 Eccezioni (exceptions) Soluzione 1: si blocca tutto Non molto conveniente... basta una piccola dimenticanza, e tutto il programma si ferma Può andar bene per programmi giocattolo, ma pensate cosa succerebbe a programmi più grossi, tipo sistemi operativi È come se ad ogni piccolo errore, Windows 98 andasse in tilt... Lasciamo perdere! L altra soluzione è di avere qualcosa che gestisce queste situazioni di emergenza senza interrompere il programma Una sorta di dottore cui rivolgerci perché qualcosa è andato storto le cosiddette eccezioni Eccezioni Essenzialmente, quando un programma incontra un istruzione illegale, va dal medico a seconda dell istruzione, chiama dei programmi appositi che cercano di recuperare dall errore p.47/55 p.48/55

13 Eccezioni (cont.) Hotel di Hilbert A questi programmi vengono passate le informazioni necessarie per cercare di risolvere la situazione, quali Indirizzo dell istruzione colpevole Tipo di errore Valori dei registri Etc etc... In questo grande Hotel c è un numero infinito di stanze I numeri di stanza sono 1, 2, 3, 4, 5, 6,... L hotel è pieno p.49/55 Hotel di Hilbert (cont.) p.50/55 Hotel di Hilbert (cont.) Arriva un cliente il gestore chiede gentilmente al signore della stanza 1 di passare alla stanza 2, a quello della stanza 2 di passare alla stanza 3, etc. etc. sistema il nuovo arrivato nella stanza 1 Arriva un autobus enorme, con dentro un numero infinito di clienti Il gestore chiede gentilmente al signore della stanza 1 di passare alla stanza 2, a quello della stanza 2 di passare alla stanza 4, a quello della stanza 3 di passare alla stanza 6, etc. etc. sistema i nuovi arrivati nelle stanze 1, 3, 5, 7... p.51/55 p.52/55

14 Nel computer... Computer e Hotel di Hilbert Il computer è l hotel Ogni stanza è una frazione di secondo Il processore è il gestore L autobus è un programma che chiede di essere eseguito (ha bisogno, potenzialmente, di un sacco di tempo) L hotel è pieno a ogni frazione di secondo, il computer sta eseguendo un programma Arriva l autobus chiediamo di lanciare un altro programma Il processore, da buon gestore, sistema i nuovi arrivato nelle stanze 1, 3, 5, 7,... Nella 1a frazione di secondo, esegue il nuovo programma, nella 2a, continua quello che stava facendo prima, nella 3a, continua col nuovo programma, nella 4a continua quello di prima, e così via alternandosi... p.53/55 p.54/55 Multitask Questo è detto multitask o parallellismo di esecuzione Un solo processore riesce ad eseguire più programmi contemporaneamente Multitask e robustezza Se un programma esegue un istruzione illegale, viene lanciata un eccezione Anche nel caso più banale, l eccezione può stampare un errore e uccidere il programma perdiamo UN SOLO programma, ma tutti gli altri programmi continuano a essere eseguiti senza eccezioni, perderemmo tutti i programmi! p.55/55