MIPS ISA (Instruction Set Architecture)

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1 MIPS ISA (Instruction Set Architecture) MIcroprocessor without Interlocking Pipeline Stages MIPS Processador RISC de 32 bits Referência dos Processadores RISC Mais de 100 Milhões de processadores vendidos em todo o mundo Usados pela NEC, Nintendo, Cisco, Silicon Graphics, Sony, Other SPARC Hitachi SH PowerPC Motorola 68K MIPS IA-32 ARM

2 MIPS aritmética Todas as instruções têm 3 operandos A ordem dos operandos é fixa, Mnemónica Mnemónica operando3, operando2, operando1 resultado, fonte2, fonte1 Exemplo: em C: a = b + c em MIPS: add a, b, c 3 3 MIPS aritmética Principio de funcionamento: a simplicidade favorece a regularidade. Em certos casos fica mais complexo:. C : a = b + c + d; MIPS : add a, b, c add a, a, d Operandos são guardados em registos, existem 32 registos. Os registos são todos de 32 bits

3 Exemplo Em linguagem C, f = (g + h) (i + j), em que as variáveis f, g, h, i e j são atribuídas respectivamente aos registos $s0, $s1, $s2, $s3, $s4. Qual o correspondente código MIPS? Resposta: add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1 5 5 Registos versus Memória Os operandos das instruções aritméticas devem ser guardados nos registos Os compiladores associam as variáveis com os registos do processador Control Datapath Memory Input Output O que acontece com os programas com muitas variáveis? Processor I/O 6 6 3

4 Organização da Memória A memória é vista como uma matriz unidimensional 0 8 bits of data Um endereço de memória é um índice para a tabela "Byte addressing" significa que o índice aponta para um byte na memória bits of data 8 bits of data 8 bits of data 8 bits of data 8 bits of data 8 bits of data Organização da Memória (cont.) Bytes e words No MIPS, uma word é 32 bits ou 4 bytes bytes com byte address de 0 to (4 G bytes) 2 30 words com word address 0, 4, 8, (1 G word) Palavras são alinhadas i.e., a que correspondem os 2 bits menos significativos de uma word address? bits of data 32 bits of data 32 bits of data 32 bits of data 8 8 4

5 Organização Física da Memória Determina a ordem como são endereçados os bytes numa palavra Existem 2 tipos de alinhamento: Big Endian associa ao endereço mais significativo o byte da palavra menos significativo. Little end associa ao endereço menos significativo o byte da palavra menos significativo. 9 9 Exemplo Little e Big Endian double word word word byte byte byte byte byte byte byte byte Quais os endereços para Little e Big Endian?

6 Exemplo Little e Big Endian Exemplo para: 08AABB10h na memória 100h Little end Big endian BB 101 AA 102 AA 102 BB Instruções de acesso Memória Instruções de load e store Exemplo: C code: MIPS code: A[12] = h + A[8]; lw $t0, 32($s3) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 48($s3) Os registos podem ser referidos pelo nome (i.e., $s2, $t2) em vez de um numero As instruções de store têm como destino o primeiro operando (ao contrário das outras instruções) Os operandos das instruções aritméticas são em registos e não em memória! Não é possível: add 48($s3), $s2, 32($s3)

7 Exemplo swap(int v[], int k); { int temp; temp = v[k] v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $ As instruções aritméticas só em registos Instrução Significado add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3 sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 $s3 lw $s1, 100($s2) $s1 =Memory[$s2+100] sw $s1, 100($s2) Memory[$s2+100] =$s

8 MAPA dos Registos Internos Nome $zero $at $v0-$v1 $a0-$a3 $t0-$t7 $s0-$s7 $t8-$t9 $k1-$k2 $gp $sp $fp $ra Número Utilização Constante zero Assembler Temporary Para resultados de expressões Argumentos Temporários Temporários Temporários Reservado para OS Kernel Ponteiro global Ponteiro de pilha Ponteiro de quadro Endereço de retorno O Registo PC (Program Counter) não é acessível!!! Sintaxe das instruções A instruções são especificadas a: Nome Mnemónica Formato Operação Opcode/funct Nome Mnemónica Form ato Operação Opcode/f unt add Add R R[rd]=R[rs]+R[rt] 0/20h

9 Linguagem Máquina - Formato R Mnemónica Resultado, Operando 1, Operando 2 op rs rt rd shamt Funct op: Opcode da Instrução rs: Primeiro operando (registo) rt: Segundo operando (registo) rd: Operando destino. Registo onde fica o resultado da operação shamt: (Shift Amount) valor de deslocamento em operações de deslocamento funct:function, seleciona a variação do opcode Linguagem Máquina Exemplo: add $t1, $s1, $s2 registos tem números, $t1=9, $s1=17, $s2=18 add tem opcode=0 e funct= 20h Formato das instruções: op rs rt rd shamt funct

10 Linguagem Máquina - Formato I mnemónica operando 2, operando 1, constante mnemónica operando 2, endereço (operando 1) op rs rt constante ou endereço op: Opcode da Instrução rs: Primeiro operando (registo) rt: Segundo operando (registo) Constante/endereço: indica uma posição de memória relativa ou uma constante Formato usado pelas instruções de: - transferência de dados, - endereçamento imediato - salto condicional Linguagem Máquina Para as instruções de load-word e store-word, Qual o principio que deve ser preservado? Introduz um novo tipo de formato de instruções: Tipo-I, para as instruções de transferência de dados e imediato Exemplo: lw $t1, 32($s2) op rs rt 16 bit number Onde está o compromisso?

11 Exemplo: Instrução Load op rs rt constante ou endereço Exemplo: lw $t1, 32($s2) op rs rt 16 bit number Exemplo: adição imediata op rs rt constante ou endereço Exemplo: addi $s1, $s2, 100 ($s1=17, $s2=18, addi opcode=8) op rs rt 16 bit number

12 Instruções Lógicas sll srl and, andi or, ori nor deslocamento à esquerda deslocamento à direita e lógico ou lógico complementa bits Exemplo: sll $t2, $s0, 4 op rs rt rd shamt funct Controlo Instruções que tomam decisões altera a sequência de execução, i.e., muda a próxima instrução a ser executada Instruções de saltos condicionais: bne beq slt branch not equal branch equal set on less then Instruções de saltos incondicionais: j jump Jr jump register Jal jump and Link

13 bne $t0, $t1, Label beq $t0, $t1, Label slt $t0, $t1, $t2 slt $t0, $t1, 100 j label Exemplo: if (i==j) h = i + j; bne $s0, $s1, Label add $s3, $s0, $s1 Label: Exemplo: If ($s2 < $s3) $s1=1; else $s1=0 slt $s1, $s2, $s3 If ($s2 < 100) else $s1=1; $s1=0 slt $s1, $s2,

14 Controlo (cont.) MIPS instruções de salto incondicional: j label Exemplo: if (i!=j) beq $s4, $s5, Lab1 h=i+j; add $s3, $s4, $s5 else j Lab2 h=i-j; Lab1:sub $s3, $s4, $s5 Lab2:... Como fazer um ciclo simples? Instrução Significado add $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 + $s3 sub $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 $s3 lw $s1,100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1,100($s2) Memory[$s2+100] = $s1 bne $s4,$s5,l Next instr. is at Label if $s4 $s5 beq $s4,$s5,l Next instr. is at Label if $s4 = $s5 j Label Next instr. is at Label Formatos: op rs rt rd shamt funct op rs rt 16 bit address op 26 bit address

15 Controlo de Fluxo de Programa BEQ, Branch if Equal BNE, Branch Not Equal Nova instrução: SLT, Set Less Then slt $t0, $s1, $s2 if $s1 < $s2 then $t0 = 1 else $t0 = 0 Podemos usar esta instrução para construir "blt $s1, $s2, Label" podem ser construídas estruturas gerais de controlo Endereços em Instruções de saltos Instruções: bne $t4,$t5,label Next instruction is at Label if $t4 $t5 beq $t4,$t5,label Next instruction is at Label if $t4 = $t5 j Label Next instruction is at Label Formatos: I J op rs rt 16 bit address op 26 bit address Os endereços não são de 32 bits Como é feito o seu endereçamento com as instruções load e store?

16 SALTOS RELATIVOS Formato I op rs rt constante ou endereço beq $s0, $s1, exit exit PC= PC+ endereço relativo= PC ± SALTOS ABSOLUTOS Formato J 6 26 op endereço j L L1 PC= CONCATENAÇÃO (PC : endereço)

17 Constantes Pequenas constantes são usadas muitas frequentemente (50% dos operandos) e.g., A = A + 5; B = B + 1; C = C - 18; Soluções? Porque não? Coloca constantes típicas em memoria em carrega-as. Criação de registos hard-wired (como $zero) para a constante zero. MIPS Instruções: addi $29, $29, 4 slti $8, $18, 10 andi $29, $29, 6 ori $29, $29, 4 Design Principle: Make the common case fast. Which format? Constantes maiores (32 bits) Como conseguir carregar um registo de 32 bits com uma constante. Devem ser usadas duas instruções Nova instrução "load upper immediate" lui $t0, filled with zeros Falta completar com os bits menos significativs, i.e., ori $t0, $t0, ori

18 Sumário MIPS Todas as instruções têm 32 bits de tamanho Muito estruturada Só três formatos de instruções op rs rt rd shamt funct op rs rt 16 bit address op 26 bit address O bom sucesso de uma plataforma depende da optimização dos compiladores MIPS Operandos MIPS operands Name Example Comments $s0-$s7, $t0-$t9, $zero, Fast locations for data. In MIPS, data must be in registers to perform 32 registers $a0-$a3, $v0-$v1, $gp, arithmetic. MIPS register $zero alw ays equals 0. Register $at is $fp, $sp, $ra, $at reserved for the assembler to handle large constants. Memory[0], Accessed only by data transfer instructions. MIPS uses byte addresses, so 2 30 memory Memory[4],..., sequential w ords differ by 4. Memory holds data structures, such as arrays, words Memory[ ] and spilled registers, such as those saved on procedure calls

19 MIPS- Linguagem Asssembly MIPS assembly language Category Instruction Example Meaning Comments add add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3 Three operands; data in registers Arithmetic subtract sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 - $s3 Three operands; data in registers add immediate addi $s1, $s2, 100 $s1 = $s Used to add constants load word lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s ] Word from memory to register store word sw $s1, 100($s2) Memory[$s ] = $s1 Word from register to memory Data transfer load byte lb $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s ] Byte from memory to register store byte sb $s1, 100($s2) Memory[$s ] = $s1 Byte from register to memory load upper immediate lui $s1, $s1 = 100 * 2 Loads constant in upper 16 bits branch on equal beq $s1, $s2, 25 if ($s1 == $s2) go to PC Equal test; PC-relative branch branch on not equal bne $s1, $s2, 25 if ($s1!= $s2) go to PC Conditional branch set on less than slt $s1, $s2, $s3 if ($s2 < $s3) $s1 = 1; else $s1 = 0 set less than immediate slti $s1, $s2, 100 if ($s2 < 100) $s1 = 1; else $s1 = 0 Not equal test; PC-relative Compare less than; for beq, bne Compare less than constant jump j 2500 go to Jump to target address Uncondi- jump register jr $ra go to $ra For switch, procedure return tional jump jump and link jal 2500 $ra = PC + 4; go to For procedure call Modos de endereçamento 1. Registo: os operandos são registos 2. Base ou deslocamento endereçado:

20 MIPS Modos de endereçamento 1. Immediate addressing op rs rt Immediate 2. Register addressing op rs rt rd... funct Registers Register 3. Base addressing op rs rt Address Memory Register + Byte Halfword Word 4. PC-relative addressing op rs rt Address Memory PC + Word 5. Pseudodirect addressing op Address Memory PC Word