MIPS-Assembler, Mitschriften von Rechnerarchitektur

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Grundlagen

der

Rechnerarchitektur

MIPS

‐Assembler

Übersicht

-^ Arithmetik,

Register

und

Speicherzugriff

-^ Darstellung

von

Instruktionen

-^ Logische

Operationen

-^ Weitere

Arithmetik

-^ Branches und

Jumps

-^ Prozeduren •^32

‐Bit‐

Konstanten

und

Adressierung

-^ Synchronisation •^ Exceptions •^ Pseudoinstruktionen,

Direktiven

und

Makros

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

Warum

ein

Assembler

‐Kurs?

-^ Wir

wollen

etwas

über

Rechnerarchitektur

lernen.

Assembler

ist^ ein

Teil^

davon.

-^ Nach

dem

Erlernen

von

Assembler

eines

Systems,

lernt

man

Assembler

anderer

Rechner

kinderleicht

-^ Während

wir^

uns^

mit^ Assembler

beschäftigen

lernen

wir^

auch

generelle

Konzepte

kennen,

wie

die^ Hardware

in^ Computern

und

eingebetteten

Systemen

organisiert

ist

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

Vor

‐^ und

Nachteile

von

Assembler

-^ Wann

sollte

man^

Assembler

programmieren?

-^ Code

‐Größe

oder^

Geschwindigkeit

sollen

bis^ auf

das^ äußerste

ausgereizt

werden

-^ Verwendung

spezieller

Maschineninstruktionen,

die^ ein

Compiler

nicht^ nutzt

(in^ der

Regel

bei^ CISC)

-^ Es^ gibt

für^ die

Computer

‐Hardware

keine

höhere

Sprache

-^ Meist

wird^

ein^ hybrider

Ansatz

gewählt

-^ Man

programmiert

das^ meiste

in^ einer

High‐

Level‐

Sprache

-^ Nur

kleine

Teile^ des

gesamten

Codes

werden

direkt

in^ Assembler

optimiert

-^ Nachteil

von^ Assembler

-^ Programme

laufen

nur^ für

den^ Hardwaretyp

für^ den

diese

programmiert

sind

-^ Assembler

‐Code

ist^ im

Vergleich

zu^ High

‐Level

‐Sprachen

deutlich

länger^ •^ Programmieren

dauert

deutlich

länger

-^ Programmieren

ist^ fehleranfälliger

(insbesondere

wegen

fehlender

Struktur)

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

Warum 7

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

Programmieren

lernt^ man

nicht^ durch

zuschauen!

Alle^ Konzepte

sollte^

man^ hier

selber

ausprobieren!

Arithmetik

und

Zuweisungen

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

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

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

C^ Programm:^ f^

=^ (g^

+^ h)^

-^ (i^

+^ j);

Sei^ hierbei:g^ in

Register

$s1^ gespeichert h^ in^ Register

$s2^ gespeichert i^ in^ Register

$s3^ gespeichert j^ in^ Register

$s4^ gespeichert f^ in^ Register

$s0^ gespeichert

MIPS^ Instruktionen

(verwende

temporäre

Register

$t0^ und

$t1 ): add^ $t0,

$s1,

$s^

#^ t0=g+h

add^ $t1,

$s3,

$s^

#^ t1=i+j

sub^ $s0,

$t0,

$t^

#^ f=t0-t

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.

Alignment

‐Restriction

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

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

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

C^ Programm:^ A[12]

=^ h^

+^ A[8];

Sei^ hierbei:Basisadresse

von^ A^ in

Register

$s

und^ h^ in

Register

$s2^ gespeichert

MIPS^ Instruktionen

(verwende

temporäre

Register

$t0 ):

Weitere

Befehle

zum

Laden

und

Speichern

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

Laden^

von^ Byte

ohne^ Sign

‐Extension:

lbu^

{^ Beispiel:

lbu^

$t0,^

27($s3)

}

Was^ passiert

im^ obigen

Beispiel

mit^ $t0,

wenn^ 27($s3)

=^ 11001000?

LSB

$t0MSB 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

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

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:

Zusammenfassung

der^

behandelten

Instruktionen

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

Instruktion

Bedeutung

add Arithmetik

rd,^ rs,^

rt^

Register

rd = Register

rs +^ Register

rt

addi^ rt, rs,

imm^

Register

rt =^ Register

rs +^ Konstante

imm

sub^ rd,

rs,^ rt^

Register

rd = Register

rs –Register

rt

lb^ rt, Laden 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.

sb^ rt, Speichern

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

Grundlagen

der^ Rechnerarchitektur

‐^ Assembler

addi $s0, $zero, 4

#

lw $s1, 0($s0)

#

lw $s2, 4($s0)

#

add $s1, $s1, $s

#

add $s1, $s1, $s

#

addi $s1, $s1, 1

#

sw $s1, 0($s0)

#

0

421 4

12 8

4

12

33

Adresse

Inhalt

(Word) Speicher

zu^ Beginn

128 4 0

Adresse

Inhalt

(Word)

Speicher

nach

Instruktionsdurchlauf