Integer Java Virtual Machine (IJVM) Calcolatori Elettronici II Prof. Antonino Mazzeo mazzeo@unina.it Ing. Luigi Romano Ing. Alessandro Cilardo Ing. Luigi Coppolino lrom@unina.it acilardo@unina.it lcoppoli@unina.it Architetture a stack (a) (b) (c) (d) PUSH a2 PUSH a3 ADD POP 1
Integer Java Virtual Machine Java Virtual Machine IJVM» include un sottoinsieme limitato alle operazioni su interi dell Instruction Set della JVM» non è orientata alla programmazione ad oggetti Mic-1» implementazione della IJVM IJVM: struttura della memoria 2
Tempificazione 3
Unità Logico-Aritmetica (ALU) Inoltre, sull uscita della ALU opera un blocco shifter che può realizzare:» shift a sinistra di 8 bit (per estendere MBR a 16 bit)» shift a destra di 1 bit Operazioni in memoria (1) Indirizzi a 32 bit Parole dati a 32 bit Opcode da 8 bit 4
Operazioni in memoria (2) MAR contiene l indirizzo di parola (da moltiplicare per 4) PC contiene l indirizzo di byte Controllo di flusso nel microprogramma MPC[8] = (JAMZ AND Z) OR (JAMN AND N) OR ADDR[8] MPC[0..7] = ADDR[0..7] OR (MBR[0..7] AND JMPC) 5
Instruction Set della IJVM Microprogrammazione 6
Ciclo base Microistruzioni: iadd 7
Microistruzioni: bipush Microistruzioni: iload 8
Microistruzioni: goto Microistruzioni: ifeq 9
Microistruzioni: wide iload Microistruzioni: invokevirtual 10
invokevirtual: evoluzione della memoria Microistruzioni: ireturn 11
ireturn: evoluzione della memoria Simulatore Mic-1 Prerequisiti» JDK1 o superiori Scaricare il file self-extracting ZIP archive dal sito http://www.ontko.com/mic1/ Eseguire il file autoestraente dalla directory di lavoro. Assicurarsi che il path verso la cartella /bin del java SDK sia presente nella variabile di ambiente PATH Aggiungere il percorso completo verso il file classes.zip nella variabile ambiente CLASSPATH 12
Utilities: mic1asm mic1asm» assemblatore per il microprogramma > java mic1asm input-file output-file Legge un file testo contenente il microprogramma nel MicroAssembler Language (MAL) per Mic-1 e produce un file binario caricabile nella microrom dell architettura simulata. Esempio: > java mic1asm mic1ijvm.mal mic1ijvm.mic1 Utilities: ijvmasm ijvmasm» compilatore assembler per l ISA della IJVM > java ijvmasm input-file output-file Legge un file testo contenente un programma nel linguaggio assembler IJVM e produce un file binario eseguibile dalla Mic1 e caricabile nel simulatore mic1sim Esempio: > java ijvmasm echo.jas echo.ijvm 13
Utilities: mic1sim mic1sim» simulatore della microarchitettura Mic1 > java mic1sim [ mic1-file ] [ ijvm-file ] Simula l architettura Mic1 caricando la microrom con il microprogramma mic1-file e la memoria esterna del processore con il macroprogramma ijvm-file Esempio: > java mic1sim mic1ijvm.mic1 echo.ijvm Simulatore Consente l esecuzione step-by-step del microprogramma, visualizzando il contenuto dei registri macchina ad ogni colpo di clock. E fornito di una console per le operazioni di input/output implementate da due speciali istruzioni a livello ISA:» IN: legge una parola da una speciale locazione di memoria e ne fa il push sullo stack» OUT: fa il pop dallo stack e scrive la parola letta in una speciale locazione di memoria 14
Compilazione e simulazione Simulatore in esecuzione 15
Struttura del file.mal (1) Con il simulatore è fornito il file mic1ijvm.mal che implementa l ISA della Mic1 descritta nel Cap. 4 del Tanenbaum (più le istruzioni IN e OUT). Il file.mal contiene prima di tutto delle direttive.label che associano ad alcune label utilizzate nel seguito del file gli indirizzi fisici della microrom in cui le corrispondenti microistruzioni saranno poste. Il resto del file contiene coppie label-microistruzione su ciascuna riga. Il next-address di ogni microistruzione è implicitamente fissato alla microistruzione sulla riga successiva, a meno che non siano usati costrutti goto. Struttura del file.mal (2) //.label nop1 0x00.label bipush1 0x10.label ldc_w1 0x13 // Main1 PC = PC + 1; fetch; goto (MBR) nop1 goto Main1 iadd1 iadd2 iadd3 MAR = SP = SP - 1; rd H = TOS MDR = TOS = MDR + H; wr; goto Main1 16
Modifica del microassembler Il file.mal può essere modificato per cambiare l implementazione di alcune macroistruzioni o aggiungerne altre Se si aggiungono macroistruzioni, è anche necessario modificare coerentemente il file ijvm.conf, che associa ad ogni codice mnemonico assembler un opcode. Esercizio Estendere l ISA della IJVM con una istruzione di Shift a sinistra che preleva dallo stack due parole: la testa dello stack rappresenta il numero di bit da shiftare, la seconda l operando. Come al solito, il risultato è posto a sua volta nello stack:» BIPUSH 42 // push dell operando ([SP]=42)» BIPUSH 1 // push del numero di bit ([SP]=1)» ISHL // 42 << 1 ([SP]=84) Il codice mnemonico della nuova istruzione sarà ISHL ed il corrispodente opcode 0x78 Il numero di bit da shiftare deve essere compreso tra 0 e 31 17
Modifica del file.conf Aggiungere nel file ijvm.conf la seguente riga. 0x78 è l opcode della nuova istruzione (ma anche l indirizzo fisico nella microrom che conterrà la prima microistruzione che la implementa) 0x78 ISHL Modifica del file.mal Copiare il vecchio file mic1ijvm.mal in un nuovo file (ad es. newmic1.mal) ed aggiungere le seguenti righe, che rappresentano le microistruzioni che implementano la ISHL.label ishl1 0x78 ishl1 MAR = SP = SP - 1; rd ishl2 ishl3 H = OPC = MDR ishl4 Z = TOS; if (Z) goto NoShift; else goto DoShift DoShift OPC = H = OPC + H DoShift2 TOS = TOS - 1; goto ishl4; NoShift MDR = TOS = OPC; wr; goto Main1 18
Programma assembler di test: echo.main L1: IN // request character input from memory DUP // duplicate top of stack (inputed char) for comparing BIPUSH 0x0 // push 0x0 for comparison IF_ICMPEQ L2 // if no characters are available for input, loop BIPUSH 1 ISHL OUT // else, print character GOTO L1 // loop back to beginning of program L2: POP // No key has been pushed, so clear the stack, GOTO L1 // and start over.end-main Compilazione e Simulazione 19
Simulatore in esecuzione Il programma riceve caratteri ASCII in ingresso, shifta il corrispondente codice esadecimale di un bit a sinistra, e stampa il risultato. Nell esempio, l utente ha digitato i caratteri 1 (0x31) e 2 (0x32), e riceve in output b (0x62) e d (0x64) Esercizio L istruzione ISHL implementata in precedenza non esegue alcun controllo sul numero di bit da shiftare (prima parola prelevata dallo stack). Ovviamente, questo meccanismo non garantisce un limite accettabile sul numero di passi che l istruzione compie (potrebbero arrivare a 2 32-1!). Come esercizio, imporre che la ISHL consideri solo i 5 bit meno significativi della parola contenente il numero di shift da effettuare, in modo tale che tale numero sia minore o uguale a 31. 20