2G1518 Datorteknik

April 19, 2023 2G1518, föreläsning 3, vt2005 1

2G1518 Datorteknik

Föreläsning 3Metoder och subrutiner

Kursboken, valda delar av kapitel 4

version vt 2005för E och I m.fl.


Föreläsning 3Innehåll

4-stegs PIPE-LINE, repetitionMACRO, syntetisk instruktionMACRO-exempelLoad och Store med indexerad adressStack med SP samt PUSH och POPSubrutiner, anrop, retur, parametrar, Register Window


Viktiga delar i en dator

CPU

MEM

BUS

I/Oprogram

data


Programexekveringi två steg

(decode)EXECUTE

FETCH(update PC)


Programexekveringi fyra steg

EXecute/MEMory

Fetch Operand

WriteBack

FetchInstruction

ProgramMemory

m x 8

ALU

ADD

RegisterFile

32 x 32

RegisterFile

32 x 32

PC

NVZC

Logik förvillkorligt

hopp

op-code

CCR

true/false

PC+k/PC+Imm

RWM


Instruktioner Nios-Instruktioner

MOV Rdst, Rsrc

MOVI Rdst, Imm5 ;ADDI/SUBI

ADDRdst, Rsrc ;SUB/AND/OR/XOR

CMPRdst, Rsrc ;CMPIBR / JMP / BEQ / BNE LD Rdst, [Rsrc]

ST [Rdst], Rsrc


Mall för makro– en syntetisk instruktion

.macro CLR regMOVI\reg, 0x0.endm

Effekt: man kan använda en ny instruktionclr %ri för att nollställa register %ri


ADD Rdest, regA, regB

Skriv makro för add-instruktion med 3 register.macro ADD3 reg1, reg2, reg3MOV \reg1, \reg2ADD \reg1, \reg3

.endmEffekt: man kan använda en ny instruktionADD3 %rk, %rj, %ri för att skriva summan av

%ri och %rj till %rk


SWAPR regA, regB

Skriv makro för swap-instruktion med 2 register.macro SWAPR reg1, reg2ADD \reg1, \reg2... ;här saknas en del... ;icketrivial kod

.endmEffekt: man kan använda en ny instruktionSWAPR %ri, %rj för att byta plats på

innehåll i %ri och %rj


MOVI RA, datan

MOVI

Hur många bitar behövs? ~6+5+5!Hur stor blir varje instruktion? 16!

Nios INSTRUKTIONSFORMATmed immediate data

Exempelvis: 6 5 5



EXecute/MEMory

Fetch Operand

WriteBack

FetchInstruction

ProgramMemory

m x 8

ALU

ADD

RegisterFile

32 x 32

RegisterFile

32 x 32

PC

NVZC


hopp

op-code

CCR

true/false

PC+k/PC+Imm

RWM


Immediate dataär bara 5 bitar

En PreFiX-instruktion PFX införs

PFX modifierar efterföljande instruktion och ger den ett längre immediate-värde

PFX använder ett specialregister K

Principen med prefixinstruktioner finns även i Pentium-serien


Inför ny hårdvaraK - register

EXecute/MEMory

Fetch Operand

WriteBack

FetchInstruction

ProgramMemory

m x 8

ALU

ADD

RegisterFile

32 x 32

RegisterFile

32 x 32

PC

NVZC


hopp

op-code

CCR

true/false

PC+k/PC+Imm

RWM


Hur används register K ?

PreFiX-instruktionen PFX Imm11

skriver ett 11 bitars värde till register K

Värdet finns kvar i en klockcykelsen nollställs register K

Instruktionen direkt efter PFX Imm11

kan använda innehåll i K

Imm5 ökar till (Imm11 cat Imm5 )


Nios: MOVIP Rdst, Imm16

(MACRO) 32 bitar till Rdst alla bitar 31-00 påverkas

PFX Imm111 ;11 bitar till K-regMOVI Rdst, Imm15 ;16 bitar i Rdst

fyller ut med nollor i bit 31-16

0………… …0 0……0 Imm111 Imm15

Resultat:


PFX Imm11

FI PFX - -PFX Imm11

MOVI Rdst, Imm5FI FO EXE WB


Nios: MOVIA Rdst, Imm32

(MACRO) 32 bitar till Rdst alla bitar 31-00 påverkas

PFX Imm111 ;11 bitar till K-regMOVI Rdst, Imm15 ;16 bitar i Rdst

fyller ut med nollor i bit 31-16

PFX Imm211 ;11 bitar till K-regMOVHI Rdst, Imm25 ;32 bitar i Rdst

bit 15-0 påverkas ej av MOVHI

Imm211 Imm25 Imm111 Imm15

Resultat:


Imm211 Imm25

Hjälp från översättaren

%xhi (value)%xlo (value)%hi (value)%lo (value)

value@h = 31 MSBits

Imm111 Imm15= value


MakrotMOVIA reg, Addr

; Ladda ett 32 bitars värde till ett register; Värdet kan vara negativt.macro MOVIA reg, value

PFX %hi(\value)MOVI \reg, %lo(\value)PFX %xhi(\value)MOVHI \reg, %xlo(\value)

.endm


LOAD och STORE

Vi kan utföra instruktionerna

LD Rdst, [ Raddr ]

ST [ Raddr ], Rsrc



EXecute/MEMory

Fetch Operand

WriteBack

FetchInstruction

ProgramMemory

m x 8

ALU

ADD

RegisterFile

32 x 32

RegisterFile

32 x 32

PC

NVZC


hopp

op-code

CCR

true/false

PC+k/PC+Imm

RWM


LOADA Rdest, Addr

Skriv makro för load med direkt adressering.macro LOADA reg, addrMOVIA \reg, \addrLD \reg, [\reg]

.endmOBS att inga registerinnehåll “förstörs”


STOREA Addr, Rdest,

Skriv makro för store med direkt adressering.macro STOREA addr, reg MOVIA %g7, \addrST [%g7], \reg

.endmOBS att innehåll i reg %g7 “förstörs”


Behov av indexerad adress

Programvariabler ligger samlade

Ett register pekar ut variabelarean

Varje LOAD/STORE behöver först en adressberäkning med ADD

Indexerad adress

LOAD R2 ← 8(R28) ; R2 ← hm(r28 + 8)

Sparar en klockcykel vid varje LOAD


Programvariabler samlade i minnet

Variabler int i; int j; int k;

läggs efter varanni minnet av kompilatorn

minne

ijk


Ett register pekar ut variabelarean

Vid programstart tilldelas registret adressen till variabelarean i minnet

minne

ijk

register

r28


Varje LOAD/STORE behöver adressberäkning med ADD

k ska hämtas till R2R17 är ledigtADDI R17 <- R28 + 8LOAD R2 <- (R17)En extra instruktionEn extra klockcykelExtra krångel i

programkoden

minne

ijk

register

r28


Indexerad adress

Addition i LOAD-instruktionen

LOAD R2 ← 8(R28)

innebärR2 ← hm(r28+8)

Innehåll i R28, plus talet 8, blir minnesadress

minne

ijk

register

r28


LOAD och STORE

Vi vill alltså kunna utföra instruktionerna

LOAD Rdst, Offset[ Raddr ]

STORE Offset[ Raddr ], Rsrc


LOAD Rdst <- Offset[Raddr]

Vi kan utföra operationenLOAD Rdst, Offset[ Raddr ]

med koden (tar 2 klockcykler eller hur)ADDI Raddr, Offset

LD Rdst, [ Raddr ]

OBS! Innehåll i Raddr ändras


STORE Offset[Raddr] <- Rsrc

Vi kan utföra operationenSTORE Offset[ Raddr ], Rsrc

med koden (tar 2 klockcykler eller hur)ADDI Raddr, Offset

ST [ Raddr ], Rsrc



LOAD Rdst <- Offset[Raddr]Nios-kod

Vi kan utföra operationenLOAD Rdst, Offset[ Raddr ]

med koden (tar ~6 klockcykler eller hur)MOVIA Raddr, addr32

ADDI Raddr, offset5

LD Rdst, [Raddr]



STORE Offset[Raddr] <- Rsrc Nios-kod

Vi kan utföra operationenSTORE Offset[ Raddr] , Rsrc

med koden (tar ~6 klockcykler eller hur)MOVIA Raddr, addr32

ADDI Raddr, offset5

ST [Raddr], Rsrc



Programmering med hopp

Hopp = ett värde skrivs till PCEffektivadress skrivs till PCOlika adresseringsmetoder finnsJUMP Label

brukar använda absolut adressBRA Label

brukar använda PC-relativ adress


JUMP (Raddr)inför ny dataväg

EXecute/MEMory

Fetch Operand

WriteBack

FetchInstruction

ProgramMemory

m x 8

ALU

ADD

RegisterFile

32 x 32

RegisterFile

32 x 32

PC

NVZC


hopp

op-code

CCR

true/false

PC+k/PC+Imm

RWM

Ny dataväg


BRA Immn

ADDitionsenhet och datavägar finns

EXecute/MEMory

Fetch Operand

WriteBack

FetchInstruction

ProgramMemory

m x 8

ALU

ADD

RegisterFile

32 x 32

RegisterFile

32 x 32

PC

NVZC


hopp

op-code

CCR

true/false

PC+k/PC+Imm

RWM


Ovillkorligt hoppVillkorligt hopp

Ovillkorligt hopp utförs alltidExempel: JMP och BRA

Villkorligt hopp utförs endast om ett angivet villkor är santExempel Bcc där cc är villkoret

Exempel på villkorEQZ = EQual to ZeroNEZ = Not Equal to Zero


JUMP och BRAOvillkorliga hopp

JUMP brukar ha direkt adress BRA brukar ha PC-relativ adress

JMP 104 ;PC := 104 ”hopp till 104”..

BRA 40 ;PC := pc + 40 ”hopp till 268”

32:

104:

224:

268:


Typisk hopp-instruktionJUMP Label

Absolut adressering

Läget Label motsvarar en binär adress

Kopiera Label till PC

Om PC har 32 bitar bör Label vara 32 bitar

Adressen Label lagras i instruktionen


Typisk hopp-instruktionBRA Label

PC-relativ adresseringLäget Label motsvarar en binär adressFöre körning beräknar assemblern hur

långt från instruktionen Label finnsAvståndet lagras i instruktionen som

displacement eller offsetVid körning adderas offset till PCoffset kan vara positivt eller negativt


Typisk hopp-instruktionJUMP (Raddr)

Kopiera registerinnehåll till PCRegister med 32 bitar betyder att

32 bits adress kan användasHur får man 32 bits adress till

registret ?MOVIA Raddr , Imm32 eller

motsvarande


Nios hopp-instruktionJMP %rA

Skifta innehåll i register %rA ett steg åt vänster och kopiera till PC


Nios-MakrotJUMPA addr

; Ladda ett 32 bitars värde till PC; Hopp med absolutadressering.macro JUMPA addrMOVIA %g7, \addr@hJMP %g7

.endm

OBS att innehåll i reg %g7 “förstörs”


Imm211 Imm25

Hjälp från översättaren

%xhi (value)%xlo (value)%hi (value)%lo (value)

value@h = 31 MSBits

Imm111 Imm15= value


Typisk hopp-instruktionBR Immn

PC sätts till PC + Immn

Hur stor är Immn ?

Hur stor vill vi att Immn ska vara helst ?


Nios hopp-instruktionBR IMM11

Skifta IMM11 ett steg vänster gör Sign Extensionaddera till aktuellt värde i PCPC <- PC + 2 + (sext (IMM11) <<1)


Typisk instruktionSUB RsrcA, RsrcB

Subtrahera innehåll i RsrcB från RsrcA

och skriv till RsrcA

Förutom resultatet / skillnadenså lagras ytterligare informationi STATUS-flaggor


Typisk instruktionCMP RsrcA, RsrcB

Jämför innehåll i RsrcA och RsrcB genom att

Subtrahera innehåll i RsrcB från RsrcA

men skriv ej resultat till något registerInformation om resultatet / skillnaden

lagras som informationi STATUS-flaggor


STATUS-flaggor

Z - Zero; ”utfall lika med noll”N - Negativ; ”utfall med negativt

tecken”V - oVerflow; ”utfall med overflow”C - Carry; Carry-ut från ALUPåverkas av ADD, SUB, CMP ...


STATUS-flaggor

EXecute/MEMory

Fetch Operand

WriteBack

FetchInstruction

ProgramMemory

m x 8

ALU

ADD

RegisterFile

32 x 32

RegisterFile

32 x 32

PC

NVZC


hopp

op-code

CCR

true/false

PC+k/PC+Imm

RWM


Villkorlig hopp-instruktionBcond Immn

PC sätts till PC + Immn om cond är sant

PC sätts till PC + n om cond är falskt(n är antal bytes per instruktion)

Nios har ingen instruktion Bcond Imm

Det måste finnas minst en villkorlig instruktion för att klara en IF-sats


Nios har villkorlig instruktion IFS cc_IMM4

IFS - Conditionally execute next instructionOm villkoret är sant utförs nästa instr.Om villkoret är falskt skippas nästa instruktion (Om nästa är en PFX så skippas 2 instr.)


Nios har villkorlig instruktion SKPS cc_IMM4

SKPS - Skip On Condition CodeOm villkoret är sant skippas nästa instr.(Om nästa är en PFX så skippas 2 instr.) Om villkoret är falskt utförs nästa instruktion


IFS cc_IMM4 SKPS cc_IMM4

cc_IMM4 kan väljas bland 14 olika cc_eq, cc_ne, cc_lt osv. enligt tabell

Program-exempel: if (reg1==0) goto LabelCMPI reg1, 0 ;jämför reg1 med nollIFS cc_eq ;om Z=1BR Label ;hoppa till LabelNOP


BEQ Label

Skriv makro för villkorligt hopp BEQ.macro BEQ labelIFS cc_eqBR \labelNOP

.endm


Bxx Label

Skriv makro-mall för villkorligt hopp Bxx.macro Bxx labelIFS cc_xxBR \labelNOP

.endmkan skrivas för xx: eq, ne, … (14 olika !)


14 olika villkor finns i Nios

cc_ncC = 0cc_c C = 1cc_nzZ = 0cc_z Z = 1cc_pl N = 0cc_mi N = 1cc_lt N xor Vcc_ge not(N xor

V)

cc_gtnot(Zor(NxorV))

cc_le Zor(NxorV)cc_nv V = 0cc_v V = 1cc_hi not (C or Z)cc-la C or Z


Alias för villkor i Nios

cc_cs = cc_c Carry Set = Carrycc_n = cc_mi Negative = MInuscc_cc = cc_nc Carry Clear = No Carrycc_vc = cc_nv oVerflow Clear = No oVe...cc_eq = cc_z Equal = Zerocc_ne = cc_nz Not Equal = Not Zerocc_vs = cc_v oVerflow Set = oVerflowcc_p = cc_pl Plus = PLus


Nios instruktionIFRZ reg

Execute next instruction if register is Zero

Exempel: if (reg1==0) goto LabelIFRZ reg1 ;om reg1 = 0BR Label ;hoppa till LabelNOP

SKPRNZ är ekvivalent med IFRZ

Om nästa är en PFX så görs två nästa


Nios instruktionIFRNZ reg

Execute next instruction if register is Not Zero

Exempel: if (reg1 != 0) goto LabelIFRNZ reg1 ;om reg1 ej är 0BR Label ;hoppa till LabelNOP

SKPRZ är ekvivalent med IFRNZOm nästa är en PFX så görs två nästa


funktioner, subrutiner, metoder

Hur sker anrop ?Med hoppinstruktion !Hur sker återhopp ?Med hoppinstruktion !Returadress måste lagras ! Var ?


Subrutinanrop

CALL RUTRET1: ADD …

CALL RUTRET2: SUB ...

RUT: ADD …

RETURN


Subrutinanrop

CALL RUTRET1: ADD …

CALL RUTRET2: SUB ...

RUT: ADD …

CALL FKN

RETURN

FKN: MUL …

CALL NEW

RETURN


funktioner, subrutiner, metoder

Hur sker parameteröverföringVar lagras parametrar

från anropare till rutinen, inparametrarfrån rutinen till anroparen, returvärdenOlika typ av parameter värdepekare


Nios hopp-instruktionBSR IMM11

Liknar BR IMM11 med tilläggg attReturadress sparas i register %R15/%o7Returadressen är adressen till

instruktionen närmast efter hoppluckandvs adress till BSR ökat med 4

Returadressen sparas skiftad ett steg höger för att passa ihop med JMP %R15


Nios hopp-instruktionCALL %rA

Liknar JMP %rA med tillägg attReturadress sparas i register %R15=%o7Returadressen är adressen till

instruktionen närmast efter hoppluckandvs adress till CALL ökat med 4 !

Returadressen sparas skiftad ett steg höger för att passa ihop med JMP %R15/%o7


Nios-MakrotCALLA addr

; Subrutinanrop med absolutadressering

.macro CALLA addrMOVIA %g7, \addr@hCALL %g7

.endm

OBS att innehåll i reg %g7 “förstörs”


Stackhantering

Stack är speciell reserverad plats i minnet

Stack Pekare pekar på plats i stacken

PUSH-operation, lägg på stackPOP-operation, hämta från stack


STACKoperationer PUSH och POP

Stack Pointer

SP

PUSH op:SP <- sp - nmem(sp) <- op

POP dst:dst <- mem(sp)SP <- sp + n

n = antal bytes

+

-


Nios: PUSH reg

; Pusha ett register på stacken.macro PUSH regSUBI %sp,4 ;%sp = %o6ST [%sp],\reg

.endm; PUSH %o6 är inte bra


Nios: POP reg

; Poppa ett register från stacken.macro POP regLD \reg,[%sp] ADDI %sp,4 ;%sp = %o6

.endm;POP %o6 är förödande


Nios: StackReservera plats, initiera SP

Stack Pointer

SP

.equ size , 256

.data

.align 2stack: .fill size, 4, 0....text…movia %sp, stack+size*4

+

-stack:


Nios stöd för stack

Stack Pointer = %r14 = %sp (alias %o6) Finns det Stack-operationer ?LDS är LOAD Rdst <- [%sp, IMM8]

STS är STORE [%sp,IMM8] <- Rsrc

med flera variationerIngen PUSH- eller POP-instruktionIngen JSR/RTS med returadress på stack


Nios stöd för subrutiner

Anrop med CALL reg, returadress i register %r15 = %o7innehållet i reg multipliceras med 2 innan det skrivs till PC, jämför med JMP reg

Anrop med BSR LabelRetur med RET (JMP %r31 alias %i7)Retur med LRET (JMP %r15 alias %o7)


Returadress vid subrutinanrop

I ett speciellt register (fördel/nackdel)I valfritt register (fördel/nackdel)I minnet på speciell plats (fördel/nackdel)I minnet på valfri plats (fördel/nackdel)I minnet på en stack med PUSH

(fördel/nackdel)I första ordet i subrutinen (fördel/nackdel)


Register Window

Vad? Hur? Varför?


Register Window

32 registers are direct available%i0-%i7 = %r24-%r31 ; In regs%L0-%L7 = %r16-%r23 ; Local

regs%o0-%o7 = %r8 -%r15 ; Out regs%g0-%g7 = %r0 -%r7 ; Global

regs


Register Window

32 registers are direct available128 or 256 or 512 possible registers CWP - Current Window Pointer

anger vilka register som just nuär direkt åtkomliga

CWP finns i statusregister %ctl0 !


Register Window

CWP = Current Window PointerSAVE ”öppna nytt fönster”

minska CWP med 1RESTORE ”byt till gammalt fönster”

öka CWP med 1


Table 20. Smallest Nios Register File

Reg[..

Reg[..

Reg[..

Reg[..

Reg[..

Reg[..

Reg[..

Reg[..

Reg[..

Reg[24..31]

Reg[16..23]

Reg[8..15]

Reg[104..111]

Reg[112..119]

Reg[120..127]

Reg[0..7]

%o0..%o7

%L0..%L7

%i0..%i7

%g0..%g7

%o0..%o7

%L0..%L7

%i0..%i7

%g0..%g7 %g0..%g7

%o0..%o7

%L0..%L7

%i0..%i7

%g0..%g7

%o0..%o7

%L0..%L7

%i0..%i7%o0..%o7

%L0..%L7

%i0..%i7

%g0..%g7

%o0..%o7

%L0..%L7

%i0..%i7

%g0..%g7

SAVE

RESTORE

CWP = 0

CWP = 1

CWP = 5

CWP = 6

CWP = 4CWP = 2


Exempel på subrutinkodutan SAVE och RESTOREnästlat subrutinanrop går ej

RUT: ......;BSR RUT2 ;subrutinanrop ger

fel…LRET ;JMP %07NOP ;hopplucka viktig nop


RUT: SAVE %sp,0 ;ändra inte %sp...BSR RUT2;subrutinanrop

fungerar…RET ;JMP %i7RESTORE ;i hopplucka

Exempel på subrutinkodmed SAVE och RESTOREnästlat subrutinanrop går bra


Parameterplatstill och från subrutin

I register (fördel/nackdel)I minnet på fast adress

(fördel/nackdel)I minnet på en stack (fördel/nackdel)


Exempel på parameteröverföringmed SAVE och RESTORE

Anroparen lagrar parametrar i %o-register (utom %o6-%o7) Anroparen gör BSR eller CALL varvid

returadress sparas i %o7 Subrutinen gör SAVE varvid

alla %oreg hamnar på platser %ireg Returadress finns nu i %i7 Parametrar finns nu i %i-register Det finns 16 ”nya” register, 8 st %Local och 8 st %Out Subrutinen gör RESTORE Returadress finns nu i %o7 varvid

retur ska göras med JMP %o7 (samma som LRET)


Programexempel - subrutinta fram max av val1 och val2

Exempel på C-kod torde kunna vara...int val1, val2, result; /* variabler */... int max (int val1, int val2); /* prototyp */...result = max ( val1, val2); /* anrop */


Programexempel - subrutin ta fram max av val1 och val2

int val1, val2, result; kan översättas till (av kompilator)

.data

.align 2 ;adress multipel av 22

val1: .word 0val2: .word 0result: .word 0...


anrop av max (val1, val2)inparametrar i register

; result = max ( val1, val2) kan översättas till.text

movia %L0, val1ld %o0, [%L0] ;parameter val1 till %o0 från minnetmovia %L0, val2ld %o1, [%L0] ;parameter val2 till %o1 från minnetmovia %L0, max@h ;dst-adress/2 till ett register call %L0 ;ea/2 i registernopmovia %L0, resultst [%L0], %o0 ;returvärde i %o0 kopieras till minnet


Programexempel - subrutinta fram max av val1 och val2

int max (int val1, int val2);{

int tmp;tmp = val1;if (val2 > val1 ) tmp = val2;return (tmp);

}kan översättas till (kompileras till)


int max (int val1, int val2)inparametrar i register

max: cmp %o0, %01ifs cc_ltmov %o0, %o1lret ;jmp %o7


Föreläsning 3Innehåll

4-stegs PIPE-LINE, repetitionMACRO, syntetisk instruktionMACRO-exempelLoad och Store med indexerad adressStack med SP samt PUSH och POPSubrutiner, anrop, retur, parametrar, Register Window

Documents

2G1518 Datorteknik