Общая структура системы команд MIPS

базовая лекция Moodle

• Принципы RISC:
  • отсутствие вычислительно сложных инструкций,
  • фиксированная длина инструкции,
  • большое количество регистров общего назначения,
  • ограничения на работу непосредственно с оперативной памятью как с медленным устройством
• …и их реализация в MIPS:
  • + отсутствие дублирующих инструкций, псевдоинструкции
  • + трёхадресность,
  • + разделение памяти данных и команд,
  • + оптимизация под конвейер (см. далее)
  • …

  • удобство чтения/написания инструкций ассемблера и неудобство чтения машинного кода человеком (упаковка битов, псевдоинструкции и т. п.)

  • т. н. исключения — нормальное состояние программы, а не ошибка
  • некоторые регистры более специальные, чем другие:

    • $0 всегда равен 0, $31 используется для подпрограмм и т. п.

• Организация системы команд MIPS32:

  • (на лекции не перечисляются все команды, даются только примеры, подбор команд по таблице — это ДЗ)

  • 32 регистра общего назначения, доступа к специализированным регистрам нет (в т. ч. нет регистра флагов, даже на аппаратном уровне!)

  • 3 базовых типа команд

    	биты слова
    	31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
    	6	5	5	5	5	6
    R-Тип (Register)	op	rs	rt	rd	sa	funct
    I-Тип (Immediate)	op	rs	rt	immediate
    J-Тип (Jump)	op	target

    • op — код операции (6 битов)

    • rs — № регистра-источника (5 битов)

    • rt — № регистра-опреанда (для команд типа I — регистра-назначения) (5 битов)

    • immediate — непосредственный знаковый операнд (16 битов), используется для логических операндов, арифметических знаковых операндов, для смещений в адресе загрузки/сохранения, для команд условного ветвления («близкого» перехода)

    • target — адрес перехода (26 битов); в действительности это 28 битов без последних 2, т. к. адрес перехода всегда кратен 4 (то же верно и для «близкого» перехода, 18 битов вместо 16)

    • rd — № регистра-назначения (5 битов)

    • sa — величина сдвига для команд побитового сдвига регистра (5 битов достаточно )

    • funct — поле функции (6 битов), используется для разных команд, у которых код операции одинаковый. Например, все команды типа R, кроме работающих с сопроцессором, имеют opcode=0 (SPECIAL), а различаются полем funct. По-видимому, для эффективной реализации R-команд в конвейере удобнее не декодировать опкод, а по-быстрому сравнить его с нулём, и получать значения регистров, параллельно декодируя функцию, чтобы потом её применить.

  • Знаковая и беззнаковая арифметика; регистры LO/HI для умножения/деления; побитовые операции
    • Для некоторых операций (например, сложения) «знаковость» означает, что при переполнении будет возникать исключение, а «беззнаковость» — что не будет.
  • Условная пересылка и сравнение

    • сравнение только с 0 или = / ≠, сравнение на > / < двух регистров потребовало бы двух арифметических операций!

  • Работа с памятью (в т. ч. псевдоинструкции типа li)

  • Суть понятия псевдоинструкции на примере li регистр, число:

    • 

    • Нет никакой инструкции «положить I-число в регистр», зато есть инструкция «сложить I-число с $0 (с нестираемым нулём) и положить результат в регистр»

    • Если число в li больше 16 битов, псевдоинструкция раскладывается в две:

      1. записать старшую половину большого числа (это I-число) в старшую половину регистра (младшая при этом обнуляется),
      2. побитово добавить (OR) младшую половину большого числа в регистр

    • Соответственно, программисту не надо в уме прикидывать, влезает ли число в 16 битов, и распиливать его, если не влезает

    • это — наиболее эффективные способы реализации команды li регистр, число

    • Обратите внимание на использование $1 для хранения промежуточных данных

  • переходы: короткие (типа I) и длинные (типа J)

    • Короткие — условные

      • сравнения бываюто только на = / ≠ и с нулём, остальное — (например, сравнение двух регистров на >/<) — псевдоинструкции:

    • (повторение ) непосредственно указываемый адрес в командах типа I и J усекается на 2 бита справа, потому что они всё равно всегда равны 0, ибо адрес команды всегда кратен 4

• Пример программы для Mars
  • будем использовать пока что магические системные вызовы ввода и вывода десятичных чисел, находящихся в регистре
  • Ввести два числа, вывести результат:

    •    1         li      $v0 5       # Системный вызов №5 — ввести десятичное число
         2         syscall             # Результат — в регистр $v0 (он же $2)
         3         move    $t0 $v0     # Сохраняем результат в $t0 (он же $8)
         4         li      $v0 5       # $v0 нам нужен для ввода ещё одного числа
         5         syscall
         6         add     $a0 $v0 $t0 # Складываем ввод с сохранённым, записываем в $a0 (он же $4)
         7         li      $v0 1       # Системный вызов №1 — вывести число из регистра $a0
         8         syscall
         9         li      $v0 10      # Системный вызов №10 — останов программы
        10         syscall
      

Д/З

• Зарегистрироваться в EJudge, если кто не

• EJudge: DoubleSum 'Двойная сумма'

  Ввести в столбик четыре целых числа. Первое сложить со вторым, третье — с четвёртым. Вывести две полученные суммы в строчку, без пробелов.

  12
  23
  -23
  7

  Input:

  12
  23
  -23
  7

  Output:

  35-16