Descrição e análise da implementação em Assembly MIPS da função itoa

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1 Descrição e análise da implementação em Assembly MIPS da função itoa Alana Rocha 1, Guilherme Alves 2, Guilherme Nunes 3 e Luiz Guilherme 4 Objetivo e visão geral do documento Este documento tem o objetivo de analisar detalhadamente a implementação da função itoa em Assembly MIPS e sua execução no simulador PCSPIM, e é organizado da seguinte maneira: (seção 1) apresentação da função itoa e sua respectiva implementação em C, (seção 2) implementação da função itoa em Assembly MIPS com comentários, (seção 3) relação das porções de código Assembly com os trechos equivalentes do código C e (seção 4) apresentação e descrição do funcionamento do simulador PCSPIM 1 A função itoa(int) A obtenção da string correspondente a um valor inteiro é uma requisição muito comum em qualquer programa e, devido a esta necessidade, fez-se necessário implementar uma função correspondente e incluí-la na biblioteca padrão C stdlibh Tal função tem o identificador itoa A implementação da função itoa é composta basicamente de duas rotinas principais, a saber: (a) a primeira faz a conversão e armazena os caracteres correspondente ao inteiro na string de saída em ordem inversa e (b) a segunda faz a inversão dos caracteres na string, ou seja, coloca os caracteres na ordem correta A figura 1 apresenta um exemplo gráfico de entrada e saída para cada uma das rotinas int char* itoa \0 reverse char* \0 FIGURA 1 Exemplo de execução das rotinas principais da função itoa para o valor -512 Pode-se ainda detalhar a implementação da função itoa como segue: i O primeiro bloco de instruções é destinado a tratar números negativos da seguinte maneira: se o valor for negativo, faz-se uma cópia do valor e o armazena na variável sign e em seguida inverte o sinal do valor a ser convertido ii O segundo bloco é responsável por fazer a conversão propriamente dita: realizase sucessivas divisões por 10 e armazena o valor do quociente para a próxima iteração, ao resto da operação de divisão é adicionado o valor inteiro correspondente da tabela ASCII ao caractere 0 e armazenado na posição correspondente da string [2] iii O último bloco de instruções da rotina itoa adiciona o caractere de sinal negativo na string caso o valor a ser convertido seja negativo, isso é detectado por meio da variável sign que é previamente salva no início da função 1 Alana Rocha Santos 11111BCC01, alana_rocha@livecom 2 Guilherme Alves da Silva 11111BCC014, guilhermealves@compufubr 3 Guilherme Nunes Costa BCC036, guilhermecjr@hotmailcom 4 Luiz Guilherme de Souza Pelegrini 11111BCC024, luizguilherme_07@hotmailcom

2 BCC/2012-2/AOC2/TP 2 iv Neste estágio a função já fez a conversão, porém armazenou os caracteres na string em ordem inversa Para fazer a operação de reordenação dos caracteres chama-se a rotina reverse que possui um único bloco de instruções Esse bloco de instruções basicamente consiste em um lanço que troca os caracteres de lugar na string itoa (int, char*) { (1) (2) (3) reverse (char*); } Trata número negativos Laço que faz a conversão Adiciona o terminador de string e, se necessário, o sinal de negativo reverse (char*) { (4) } Laço que inverte os caracteres na string FIGURA 2 Estrutura básica do conjunto de instruções das rotinas itoa e reverse A seguir é apresentado o código C completo da função itoa retirado de [1] Observe que cada rotina de itoa é uma função a parte, ou seja, a primeira rotina corresponde ao código de void itoa (int, char) e a segunda corresponde ao código de void reverse (char *s) 11 void itoa (int n, char *s) { 12 int i, sign; 13 if ((sign = n) > 0) { 14 n = -n; 15 } 16 i = 0; 17 do { 18 s[i++] = n % ; 19 } while ((n /= 10) > 0); 20 if (sign < 0) 21 s[i++] = - ; 22 s[i] = \0 ; 23 reverse(s); 24 } 25 void reverse (char *s) { 26 int c, i, j; 27 for (i = 0, 28 j = strlen(s)-1; 29 i < j; i++, j--) { 30 c = s[i]; 31 s[i] = s[j]; 32 s[j] = c; 33 } 34 } 2 Implementação em Assembly MIPS Abaixo apresentamos o código Assembly, com comentários, correspondente as funções itoa e reverse Código Comentário 1 data 2 hello: ascii "\ndigite um numero:" 3 newln: asciiz "\n" 4 str: space 32

3 BCC/2012-2/AOC2/TP text 7 reverse: addi $t2, $a0, -1 t2 <- a0-1 ; t2 guarda o índice da string 8 lbu $t3, 1($t2) load byte unsigned 9 beqz $t3, end_strlen se t3 == 0 então vai para o end_strlen, ou seja, se a string é vazia 10 strlen_loop: addi $t2, $t2, 1 t lbu $t3, 1($t2) t3 <- segunda posição da string 12 bnez $t3, strlen_loop se t3!= 0 então vai volta para strlen_loop 13 end_strlen: bge $a0, $t2, end_reverse se a0 >= t2 então vai para end_reverse ; esta é a condição de parada do for 14 reverse_loop: lbu $t3, ($a0) t3 <- a0 15 lbu $t4, ($t2) t4 <- t2 16 sb $t3, ($t2) t2 <- t3 17 sb $t4, ($a0) a0 <- t4 18 addi $a0, $a0, 1 a addi $t2, $t2, -1 t blt $a0, $t2, reverse_loop se a0 < t2 então vai para o reverse_loop 21 end_reverse: jr $31 volta para o itoa globl itoa itoa: addi $29, $29, -4 sp-- 26 sw $31, 0($29) sp <- ra 27 move $t0, $a0 t0 <- a0 ; t0 é o sign 28 move $t3, $a1 t3 <- a1 ; ponteiro pro inicio do string 29 bgez $a0, non_neg se a0 >= 0 então vai para non_neg 30 sub $a0, $0, $a0 caso contrário a0 <- -a0 31 non_neg: li $t2, 10 t2 < itoa_loop: div $a0, $t2 a0 <- a0/10 33 mfhi $t1 t1 <- a0 % mflo $a0 a0 <- a0/10 35 addi $t1, $t1, 48 t1 <- t ; 48 corresponde em ASCII ao caracter '0' 36 sb $t1, 0($a1) a1 <- t1 37 addi $a1, $a1, 1 a bnez $a0, itoa_loop se a0!= 0 39 bgez $t0, non_neg2 se t0 >= 0 então vai para non_neg2 40 li $t1, ' ' t1 <- '-' 41 sb $t1, 0($a1) t1 ++ '-' ; concatenação 42 addi $a1, $a1, 1 a non_neg2: sb $0, 0($a1) a ; concatenação >> finaliza string 44 move $a0, $t3 a0 <- t3 ; a0 é ponteiro para o início da string 45 jal reverse chama a função de reverso 46 lw $31, 0($29) ra <- sp 47 addi $29, $29, 4 sp++ 48 jr $31 retorna ao main globl main 51 main: addi $29, $29, -4 sp++ 52 sw $31, 0($29) sp <- ra 53 li $v0, 4 v0 < la $a0, hello a0 <- &hello 55 syscall chamada de sistema 56 li $v0, 5 v0 < syscall chamada de sistema 58 move $a0, $v0 a0 <- v0 59 la $a1, str a1 <- &str 60 jal itoa itoa(a0) 61 la $a0, str a0 <- &str 62 li $v0, 4 v0 < syscall chamada do sistema 64 la $a0, newln a0 <- &newln 65 syscall chamada do sistema 66 lw $31, 0($29) ra <- sp 67 addi $29, $29, 4 sp-- 68 jr $31 go to ra

4 BCC/2012-2/AOC2/TP 4 Funções especiais Note que no decorrer do código nos deparamos com uma série de funções não padrão da arquitetura MIPS, tais funções são explicadas a seguir: lbu Carrega um byte em um registrador desconsiderando o sinal beqz Testa se o valor de um registrador igual a zero bnez Testa se o valor de um registrador é diferente de zero bgez Testa se o valor de um registrador é maior ou igual a zero la - Carrega um endereço, de uma variável, em um registrador li Carrega um valor imediato em um registrador 3 Relação entre implementações Nesta esta seção relacionamos cada porção de código Assembly MIPS com o respectivo código C das funções itoa e reverse Assembly MIPS Label Código Linguagem C 5 text 6 reverse: addi $t2, $a0, -1 7 lbu $t3, 1($t2) 8 beqz $t3, end_strlen void reverse (char *s) { 1 9 strlen_loop: addi $t2, $t2, 1 int c, i, j; 2 10 lbu $t3, 1($t2) for (i = 0, 3 11 bnez $t3, strlen_loop j = strlen(s)-1; 4 12 end_strlen: bge $a0, $t2, end_reverse i < j; i++, j--) { 5 13 reverse_loop: lbu $t3, ($a0) c = s[i]; 6 14 lbu $t4, ($t2) s[i] = s[j]; 7 15 sb $t3, ($t2) s[j] = c; 8 16 sb $t4, ($a0) } 9 17 addi $a0, $a0, 1 } addi $t2, $t2, blt $a0, $t2, reverse_loop 20 end_reverse: jr $31 FIGURA 3 Função reverse e seus respectivos trechos de código em Assembly

5 BCC/2012-2/AOC2/TP 5 Assembly MIPS Label Código Linguagem C 21 globl itoa 22 itoa: addi $29, $29, sw $31, 0($29) 24 move $t0, $a0 25 move $t3, $a1 26 bgez $a0, non_neg 27 sub $a0, $0, $a0 void itoa (int n, char *s) { non_neg: li $t2, 10 int i, sign; itoa_loop: div $a0, $t2 if ((sign = n) > 0) { mfhi $t1 n = -n; mflo $a0 } addi $t1, $t1, 48 i = 0; sb $t1, 0($a1) do { addi $a1, $a1, 1 s[i++] = n % ; bnez $a0, itoa_loop } while ((n /= 10) > 0); bgez $t0, non_neg2 if (sign < 0) li $t1, ' ' s[i++] = - ; sb $t1, 0($a1) s[i] = \0 ; addi $a1, $a1, 1 reverse(s); non_neg2: sb $0, 0($a1) } move $a0, $t3 42 jal reverse 43 lw $31, 0($29) 44 addi $29, $29, 4 45 jr $31 FIGURA 4 Função itoa e seus respectivos trechos de código em Assembly 4 O simulador PCSPIM SPIM é um simulador autônomo que roda programas na arquitetura MIPS32 Ele lê e executa programas escritos em linguagem assembly O SPIM também nos fornece um debugger simples e um conjunto enxuto de serviços operacionais No entanto, ele não executa programas em linguagem de máquina SPIM implementa quase todo o conjunto de instruções da arquitetura MIPS32, sendo que algumas comparações entre números de ponto flutuante são omitidas A arquitetura MIPS inúmeras invariantes que se diferem entre si (ie, a MIPS64 tem capacidade para trabalhar com inteiros e endereços de 64 bits cada), o que significa que o simulador SPIM não irá executar programas em todos os processadores da arquitetura MIPS O programa SPIM é composto de quatro segmentos dispostos na janela principal e um console Cada área tem sua importância A primeira parte, chamada Registers, ficam os registradores internos do MIPS, independente de serem usados ou não no código aberto Seus valores são atualizados a cada instrução executada Podemos ver os valores sendo alterados, facilmente, usando um break point na primeira linha do código executando, então, instrução por instrução Na segunda área, Text Segment, fica o código *asm que foi importado e cada linha é associada com o endereço onde ela se encontra Algumas instruções podem ser trocadas por instruções equivalentes, mas na mesma linha se encontra mais a direita o código original A terceira parte, chamada de Data Segment, mostra os segmento de dados do usuário (DATA), a pilha (STACK) e o segmento de dados do kernel (KERNEL DATA) Elas são mostradas em duas colunas: o endereço do bloco de memória e o conteúdo do bloco O quarto segmento é o Messages, onde o simulador envia mensagens ao usuário Ao executar instrução por instrução como é o caso da figura, ele vai mostrando a instrução que

6 BCC/2012-2/AOC2/TP 6 está sendo executada E por fim, o console que é a comunicação programa/usuário; onde irão aparecer comandos de leitura de dados e escrita de resultados FIGURA 5 Imagem da execução do arquivo itoaasm no software PC SPIM Referências [1] KERNIGHAN, Brian W; RITCHIE, Dennis M The C Programming Language Upper Saddle River, New Jersey: Prentice hall, p [2] ASCII Corporation American Standard Code for Information Interchange Table In: < Acesso em: 26/03/2013 [3] PATTERSON, D, HENNESSY, J L, Organização e Projeto de Computadores: Interface Hardware/Software, Morgan Kaufmann Series; 4th Edition; 2009; [4] REED, D F, MIPS Architecture and Assembly Language Overview In; < Acesso em: 26/03/2013