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Assembler am Beispiel der MIPS‐Architektur• Frühere Einsatzgebiete MIPS

– Silicon Graphics Unix‐Workstations (z. B. SGI Indigo2) – Silicon Graphics Unix‐Server (z. B. SGI Origin2000) – DEC Workstations (z.B. DECstation‐Familie und DECsystem)– Siemens bzw. SNI Server der RM‐Serie– Control Data Corporation Computer des Typs CDC 4680

• Heutiger Einsatz von MIPS in eingebetteten Systemen– Cobalt‐Server bis RaQ/Qube2– BMW‐Navigationssysteme– die Fritz!Box– Satellitenreceiver– Dreambox– Konica Minolta DSLRs – Sony‐ und Nintendo‐Spielkonsolen

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Assembler 6Quelle der Liste: de.wikipedia.org/wiki/MIPS‐Architektur

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Warum gerade MIPS (und nicht Intel x86)?• MIPS‐Instruktionssatz ist klar und einfach (RISC)• Sehr gut in Lehrbüchern beschrieben• Sehr ähnlich zu vielen modernen Prozessoren (z.B. ARM; schauen

wir uns eventuell auch noch kurz an)• MIPS ist eine kommerziell relevante Instruktionssatzarchitektur.

(z.B. 2002 wurden fast 100 Millionen MIPS Prozessoren hergestellt)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Assembler

Begleitend: SPIM‐ und MARS‐Simulator

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Assembler 8

Programmieren lernt man nicht durch zuschauen!Alle Konzepte sollte man hier selber ausprobieren!

Arithmetik, Register und Speicherzugriff


Arithmetik und Zuweisungen


C Programm:

a = b + c;

d = a – e;

MIPS Instruktionen:

Einfache Arithmetik mit Zuweisung

C Programm:

f = (g + h) – (i + j);

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Variablen t0 und t1):

Komplexere Arithmetik mit Zuweisung

Die Operanden sind Register


C Programm:

f = (g + h) – (i + j);

Sei hierbei:g in Register $s1 gespeicherth in Register $s2 gespeicherti in Register $s3 gespeichertj in Register $s4 gespeichertf in Register $s0 gespeichert

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0 und $t1):

add $t0, $s1, $s2 # t0=g+hadd $t1, $s3, $s4 # t1=i+jsub $s0, $t0, $t1 # f=t0-t1

Voriges Beispiel: Komplexere Arithmetik mit Zuweisung

MIPS Registergröße = 32 Bit

Assembler‐Syntax:Das Zeichen # leitet für den Rest der Zeile einen Kommentar ein. Der Text wird vom Assembler einfach ignoriert.

Speicher‐Operanden


C Programm:

g = h + A[8];

Sei hierbei:g in Register $s1 gespeicherth in Register $s2 gespeichertBasisadresse von A in Register $s3

MIPS Instruktionen (verwende temporäres Register $t0):

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

Alignment‐Restriction


Zugriff auf A[8], wenn Basisadresse von A in Register $s3 gespeichert?

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

Laden und Speichern


C Programm:

A[12] = h + A[8];

Sei hierbei:Basisadresse von A in Register $s3 und h in Register $s2 gespeichert

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0):

Laden und Speichern von Bytes


C Programm:

A[12] = h + A[8];

Sei hierbei:Basisadresse von A in Register $s3h in Register $s2 gespeichert

MIPS Instruktionen (verwende temporäre Register $t0):

Sei A[8] = 01110010. Was passiert im obigen Beispiel bei lb mit $t0 genau?

LSB$t0

MSB

Sei A[8] = 11110010. Was passiert im obigen Beispiel bei lb mit $t0 genau?

LSB$t0

MSB

Weitere Befehle zum Laden und Speichern


Laden von Byte ohne Sign‐Extension:lbu { Beispiel: lbu $t0, 27($s3) }

Was passiert im obigen Beispiel mit $t0, wenn 27($s3) = 11001000?

LSB$t0

MSB

Laden von Halfword mit Sign‐Extension:lh { Beispiel: lh $t0, 22($s3) }

Laden von Halfword ohne Sign‐Extension:lhu { Beispiel: lhu $t0, 22($s3) }

Speichern von Halfword:sh { Beispiel: sh $t0, 22($s3) }

Addieren und Laden von Konstanten


C Programm:

x = x + 4;

Sei hierbei:x in Register $s3 gespeichert

MIPS Instruktion:

MIPS erlaubt negative Konstanten und braucht damit kein ‚subi‘.

MIPS hat ein spezielles Register $zero, welches 0 ‘hart verdrahtet‘ speichert.

C Programm:

x = 42;

Sei hierbei:x in Register $s3 gespeichert

MIPS Instruktion:

Zwischenbilanz der MIPS Architektur


CPU

$0...

$31

ArithmeticUnit

Registers

Memory

Name Nummer Verwendung

$zero 0 Konstante 0

$at 1

$v0‐$v1 2‐3

$a0‐$a3 4‐7

$t0‐$t7 8‐15 Temporäre Register

$s0‐$s7 16‐23 „saved“ temporäre Reg.

$t8‐$t9 24‐25 Temporäre Register

$k0‐$k1 26‐27

$gp 28

$sp 29

$fp 30

$ra 31

Zusammenfassung der behandelten Instruktionen


Instruktion BedeutungArith

metik add rd, rs, rt Register rd = Register rs + Register rt

addi rt, rs, imm Register rt = Register rs + Konstante immsub rd, rs, rt Register rd = Register rs –Register rt

Lade

n

lb rt, address Lade Byte an der Adresse address in Register rt.Das Byte ist sign‐extended.

lbu rt, address Lade Byte an der Adresse address in Register rt.lh rt, address Lade Half‐Word an der Adresse address in Register rt.

Das Half‐Word ist sign‐extended.lhu rt, address Lade Half‐Word an der Adresse address in Register rt.lw rt, address Lade Word an der Adresse address in Register rt.

Speichern sb rt, address Speichere unterstes Byte des Registers rt an Adresse address

sh rt, address Speichere unteres Half‐Word des Registers rt an Adresse address

sw rt, address Speichere Inhalt des Registers rt an Adresse address.

Quiz


addi $s0, $zero, 4 #lw $s1, 0($s0) #lw $s2, 4($s0) #add $s1, $s1, $s1 #add $s1, $s1, $s2 #addi $s1, $s1, 1 #sw $s1, 0($s0) #

0 4214 128 4

12 33

…

Adresse

Inhalt (Word)

Speicher zu Beginn048

12

…

Adresse

Inhalt (Word)

Speicher nach Instruktionsdurchlauf

Darstellung von Instruktionen


Übersetzung aus Assembler in Maschinensprache


add $t0, $s1, $s2

0 17 18 8 0 326 Bit

Opcode5 Bit

Source15 Bit

Source25 BitDest

5 BitShamt

6 BitFunct

00000010001100100100000000100000

Assembler‐Instruktion

Maschinen‐Instruktion

Name Nr

$t0 8

$t1 9

$t2 10

$t3 11

$t4 12

$t5 13

$t6 14

$t7 15

Name Nr

$s0 16

$s1 17

$s2 18

$s3 19

$s4 20

$s5 21

$s6 22

$s7 23

Notwendigkeit für andere Instruktionsformate


op rs rt rd shamt funct6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit

add $t0, $s1, $s2

lw $t0, 32($s3)

?

R‐Typ

Opcode6 Bit

Source5 Bit

Dest5 Bit

Konstante oder Adresse16 Bit

I‐Typ

Zwischenbilanz


Instruktion Format op rs rt rd shamt funct

add R 0 reg reg reg 0 32

sub R 0 reg reg reg 0 34

addi (immediate) I 8 reg reg constant

lw (load word) I 35 reg reg offset

sw (store word) I 43 reg reg offset6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit

16 Bit

Beispiel: A[300] = h + A[300]


$t1 sei Basisadresse von A und h in $s2 gespeichert. Assembler‐Code?

Maschinen‐Code (der Einfachheit halber mit Dezimalzahlen)?

op rs rt rd adr/shamt funct Name Nr

$t0 8

$t1 9

$t2 10

$t3 11

$t4 12

$t5 13

$t6 14

$t7 15

Name Nr

$s0 16

$s1 17

$s2 18

$s3 19

$s4 20

$s5 21

$s6 22

$s7 23

Instruktion Format op rs rt rd shamt funct

add R 0 reg reg reg 0 32

lw (load word) I 35 reg reg offset

sw (store word) I 43 reg reg offset

Logische Operationen


Erinnerung: Logischer Shift. Beispiel:

Logischer Links‐ und Rechts‐Shift


Links‐Shift um 4 Stellen Rechts‐Shift um 4 Stellen

MIPS‐Shift‐Instruktionen sll und srl, sllv, srlv:

sll $t2,$s0,4 # $t2 = $s0 << 4 Bitssrl $t2,$s0,7 # $t2 = $s0 >> 7 Bitssllv $t2,$s0,$s1 # $t2 = $s0 << $s1 Bitssrlv $t2,$s0,$s1 # $t2 = $s0 >> $s1 Bits

Beispiel: Maschineninstruktion für obige sll Assembler‐Instruktion:

R‐Typ0 0 16 10 4 06 Bit

Opcode5 Bit

Source15 Bit

Source25 BitDest

5 BitShamt

5 BitFunct

Erinnerung: Arithmetischer Rechts‐Shift. Beispiel mit 8‐Bit:

0011 0000 1101 0111

Arithmetischer Rechts‐Shift


Rechts‐Shift um 4 Stellen Rechts‐Shift um 3 Stellen

Arithmetischer Rechts‐Shift in MIPS:

sra $t2,$s0,4 # $t2 = $s0 arithmetisch# um 4 Bits geshiftet

srav $t2,$s0,$s1 # $t2 = $s0 arithmetisch# um $s1 Bits geshiftet

Erinnerung: AND.

AND, OR, NOR und XOR


MIPS‐Instruktionen (R‐Typ), Beispiel:and $t0,$t1,$t2 # $t0 = $t1 AND $t2or $t0,$t1,$t2 # $t0 = $t1 OR $t2nor $t0,$t1,$t2 # $t0 = $t1 NOR $t2xor $t0,$t1,$t2 # $t0 = $t1 XOR $t2

MIPS‐Instruktionen (I‐Typ), Beispiel:andi $t0,$t1,0111 # $t0 = $t1 AND 0111ori $t0,$t1,1100 # $t0 = $t1 OR 1100xori $t0,$t1,1100 # $t0 = $t1 XOR 1100

Erinnerung: OR. Erinnerung NOR. Erinnerung XOR.

Es gibt gar kein NOT?!


Erinnerung NOT (auf Folie zu Zweierkomplement kurz eingeführt):

Beobachtung:

Wie kann man also „NOT($t0)“ in MIPS realisieren?

Zusammenfassung der behandelten Instruktionen


Instruktion BedeutungShift

sll rd, rs, shamt Register rd = Register rs logisch links um den Wert shamt geshiftet.

sllv rd, rt, rs Register rd = Register rs logisch links um den in Register rs gespeicherten Wert geshiftet.

srl rd, rs, shamt Register rd = Register rs logisch rechts um den Wert shamt geshiftet.

srlv rd, rt, rs Register rd = Register rs logisch rechts um den in Register rs gespeicherten Wert geshiftet.

sra rd, rs, shamt Register rd = Register rs arithmetisch rechts um den Wert shamt geshiftet.

srav rd, rt, rs Register rd = Register rs arithmetisch rechts um den in Register rsgespeicherten Wert geshiftet.

Logische

Verkn

üpfung

and rd, rs, rt Register rd = Register rs AND Register rt.

or rd, rs, rt Register rd = Register rs AND Register rt.

nor rd, rs, rt Register rd = Register rs AND Register rt.

xor rd, rs, rt Register rd = Register rsAND Register rt.

andi rt, rs, imm Register rt = Register rs AND Konstante imm

ori rt, rs, imm Register rt = Register rs AND Konstante imm

xori rt, rs, imm Register rt = Register rs AND Konstante imm

MIPS‐Assemblercode um folgende Funktion zu berechnen:

$s1 = die ersten 8 Bits von 4 * NOT($s1 AND $s2)

Schwieriges Quiz


Tipp: wir brauchen and, nor und sll

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