05 MIPS Intermedio - Universidad de Sonora

MIPS Intermedio
Seudo-instrucciones
Son instrucciones que el ensamblador reconoce pero
que no existen en la definición del hardware.
El ensamblador mapea cada seudo-instrucción a dos o
mas instrucciones reales.
Se usan para comodidad de los programadores.
Algunas seudo-instrucciones no son standard.
Dependen de cada ensamblador
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Seudo-instrucciones
Por ejemplo, la seudo-instrucción li (load immediate):
li $t0, 0x12345678
se traduce a:
lui $t0, 0x1234
ori $t0, 0x5678
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Seudo-instrucciones
Lista de algunas seudo-instrucciones:
Nombre
Sintaxis
Significado
Valor absoluto
abs $r, $t
$r = abs ($t)
Carga dirección
la $r, L
$r = L
Carga inmediata
li $r, C
$r = C
Brinca si mayor que
bgt $r, $t, L
Si r > t goto L
Brinca si menor que
blt $r, $t, L
Si r < t goto L
Brinca si mayor que o igual
bge $r, $t, L
Si r >= t goto L
Brinca si menor que o igual
ble $r, $t, L
Si r <= t goto L
Brinca si mayor que sin signo bgtu $r, $t, L
Si r > t goto L
Brinca si mayor que cero
Si r > 0 goto L
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bgtz $r, L
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Registros
Nombre
Número
Uso
¿Salvado por el llamado?
$zero
0
Constante cero
No aplica
$at
1
Reservado
No
$v0-$v1
2-3
Valores de retorno de funciones
No
$a0-$a3
4-7
Argumentos de funciones
No
$t0-$t7
8-15
Temporales
No
$s0-$s7
16-23
Temporales salvados
Si
$t8-$t9
24-25
Temporales
No
$k0-$k1
26-27
Reservados por el kernel del S.O.
No
$gp
28
Apuntador global
Si
$sp
29
Stack pointer
Si
$fp
30
Frame pointer
Si
$ra
31
Dirección de retorno
No aplica
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Registros
Los registros $at (1), $k0 (26), y $k1 (27) están
reservados por el ensamblador y el sistema operativo
y no deben ser usados por programas.
Los registros $a0–$a3 (4–7) se usan para pasar los
primeros cuatro argumentos a las rutinas (los demás
argumentos se pasan en la pila). Los registros $v0 y $v1
(2, 3) se usan para regresar valores de funciones.
Los registros $t0–$t9 (8–15, 24, 25) son registros
salvados por el llamador que se usan para guardar
cantidades temporales que no necesitan ser
preservados entre llamadas.
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Registros
Los registros $s0–$s7 (16–23) son registros salvados
por el llamado que se usan para guardar cantidades
temporales que si necesitan ser preservados entre
llamadas.
El registro $gp (28) es un apuntador global que
apunta a la mitad de un bloque de memoria de 64K en
el segmento de datos estáticos.
El registro $sp (29) es el stack pointer, que apunta al
tope de la pila. El registro $fp (30) es el frame pointer.
La instrucción jal escribe en el registro $ra (31) la
dirección de retorno de una llamada a procedimiento.
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Llamadas a procedimiento
En lenguajes de alto nivel (C, Java) las llamadas a
procedimiento son transparentes al usuario.
En ensamblador, el programador debe implementar
las llamadas y retorno de procedimiento.
Las llamadas y regreso de procedimiento involucran
un bloque de memoria llamado procedure call frame.
Como en la mayoría de los lenguajes las llamadas a
procedimiento siguen un orden LIFO (last-in, firstout), a estos bloques también se les conoce como
stack frames.
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Stack frame
El stack frame guarda:
Argumentos (a partir del quinto) al procedimiento.
Los registros que se deben preservar.
Las variables locales al procedimiento.
El procedimiento llamado utiliza el frame pointer
para accesar la memoria.
lw $v0, 0($fp)
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; $v0 = Memoria[$fp]
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Stack frame
…
Alta memoria
Argumento 6
Argumento 5
$fp
Registros
salvados
La pila
crece
Variables
locales
$sp
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Baja memoria
10
Stack frame
Por convención, el tamaño mínimo de un stack frame
es 24 bytes.
16 bytes para guardar $a0-$a3.
8 bytes para guardar $ra alineada a doble palabra.
Por convención, el stack pointer también se mantiene
alineado a doble palabra, es decir, $sp se incrementa
de 8 en 8 bytes.
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Antes de la llamada
El llamador hace lo siguiente:
1. Pasar argumentos. Por convención, los primeros 4
argumentos van en $a0-$a3. Los demás argumentos
se pasan en la pila.
2. Guarda los registros. No hay garantía que $a0-$a3 ni
$t0-$t9 mantengan su valor después de la llamada. Si
el llamador espera usar alguno de esos registros,
debe salvarlos en la pila.
3. Ejecuta una instrucción jal. La dirección de regreso
se guarda en $ra automáticamente.
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Después de la llamada
El llamado, antes de correr, hace lo siguiente:
1. Reservar espacio para el frame, restándole al stack
pointer el tamaño del frame.
2. Salvar los registros $s0-$s7 si es que se usan en el
procedimiento. $fp debe salvarse y $ra solo en caso
de que el procedimiento haga a su vez una llamada.
3. Dejar a $fp apuntando al comienzo del frame,
sumando al stack pointer el tamaño del frame
menos 4.
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Antes de regresar al llamador
Antes de regresar, el llamado hace lo siguiente:
1. Si el llamado regresa un valor, guardar el valor en
$v0.
2. Restaurar los registros que se salvaron al comienzo.
3. Eliminar (pop) el stack frame sumándole el tamaño
del frame al stack pointer.
4. Brincar a la dirección almacenada en $ra.
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Ejemplo 1
Traducir a MIPS la siguiente función hecha en C:
int foo (int g, int h, int i, int j)
{
int f;
f = (g + h) – (i + j);
return f;
}
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Ejemplo 1
Reservar espacio en la pila para el frame.
Salvar los registros que se van a usar: $s0, $t0 y $t1.
foo:
addi $sp, $sp, -12
sw $t1, 8($sp)
sw $t0, 4($sp)
sw $s0, 0($sp)
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; El frame ocupa 12 bytes
; Guarda $t1
; Guarda $t0
; Guarda $s0
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Ejemplo 1
Pila del sistema antes y después de guardar el stack
frame de foo.
Alta memoria
sp
$t1
$t0
sp
$s0
Baja memoria
Antes
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Después
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Ejemplo 1
Código del procedimiento.
Se asume que los argumentos g, h, i, y j están en $a0,
$a1, $a2 y $a3, respectivamente.
add $t0, $a0, $a1 ; $t0 = g + h
add $t1, $a2, $a3
; $t1 = i + j
sub $s0, $t0, $t1
; $s0 = $t0 - $t1
add $v0, $s0, $zero ; El valor se regresa en $v0
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Ejemplo 1
Restaurar los valores de $t0, $t1 y $s0 sacándolos de la
pila.
Regresar el control al procedimiento llamador.
lw $s0, 0($sp)
lw $t0, 4($sp)
lw $t1, 8($sp)
addi $sp, $sp, 12
jr $ra
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; Restaura $s0
; Restaura $t0
; Restaura $t1
; Ajusta la pila
; Brinca al llamador
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Ejemplo 1
Pila del sistema durante y después de la llamada a foo.
Alta memoria
sp
$t1
$t0
sp
$s0
Baja memoria
Durante
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Después
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Ejemplo 2
Traducir a MIPS el siguiente código en C:
main ()
{
printf (“El factorial de 10 es %d\n", fact (10));
}
int fact (int n)
{
if (n < 1)
return (1);
else
return (n * fact (n - 1));
}
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Ejemplo 2 - main
El main reserva 32 bytes para su stack frame.
24 bytes para $a0-$a3 y $ra mas 8 bytes para guardar
$fp alineado a doble palabra.
main:
li $t0, 32
subu $sp, $sp, $t0
sw $ra, 20($sp)
sw $fp, 16($sp)
addiu $fp, $sp, 28
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; Stack frame es de 32 bytes
; Guarda la dirección de regreso
; Guarda el frame pointer anterior
; Pone el frame pointer
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Ejemplo 2 - main
El main pone el argumento 10 en $a0 y llama a fact.
Luego invoca a la función de librería printf.
li $a0, 10
jal fact
; Guarda el argumento (10) en $a0
; Llama a la función factorial
la $a0, $LC ; Guarda el string de formato en $a0
move $a1, $v0
; Mueve el resultado de fact a $a1
jal printf ; Llama a la función para imprimir
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Ejemplo 2 - main
El main restaura los registros y regresa.
lw $ra, 20($sp)
lw $fp, 16($sp)
addiu $sp, $sp, 32
jr $ra
; Restaura $ra
; Restaura el frame pointer
; Saca (pop) el stack frame
; Regresa al llamador
$LC:
.ascii “El factorial de 10 es %d\n\000”
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Ejemplo 2 - fact
El inicio de fact es parecido. Salva $ra y $fp. Además
salva $a0 porque ahí pasa el argumento en las
llamadas recursivas.
fact:
li $t0, 32
subu $sp, $sp, $t0
sw $ra, 20($sp)
sw $fp, 16($sp)
addiu $fp, $sp, 28
sw $a0, 0($fp)
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; Stack frame es de 32 bytes
; Salva la dirección de regreso
; Salva el frame pointer
; Pone el frame pointer
; Salva el argumento (n)
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Ejemplo 2 - fact
Esta parte implementa el cuerpo principal de fact.
lw $v0, 0($fp)
; Carga n
bgtz $v0, $L2
; Brinca si n > 0
li $v0,1
; Regresa 1
jr $L1
; Brinca para regresar
$L2: lw $v1, 0($fp)
; Carga n
subu $v0, $v1, 1
; Calcula n - 1
move $a0, $v0
; Mueve el valor a $a0
jal fact
lw $v1, 0($fp)
mul $v0, $v0, $v1
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; Llama a fact
; Carga n
; Calcula fact(n-1) * n
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Ejemplo 2 - fact
Finalmente, fact restaura los registros y regresa.
$L1:
lw $ra, 20($sp)
lw $fp, 16($sp)
addiu $sp, $sp, 32
jr $ra
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; Resultado está en $v0
; Restaura $ra
; Restaura $fp
; Pop stack
; Regresa a main
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Ejemplo 2 – stack frames
Durante la llamada a fact (8).
$ra
$fp
Pila crece
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$a0
$ra
$fp
main
fact (10)
$a0
$ra
$fp
fact (9)
$a0
$ra
$fp
fact (8)
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Resumen
Instrucciones sencillas, todas de 32 bits.
Tres formatos de instrucción:
R – los operandos son registros.
I – un operando es inmediato.
J – brinco.
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Resumen
Arquitectura load/store.
Los datos deben estar en registros para realizar
aritmética.
Las únicas instrucciones que accesan la memoria son
las instrucciones de transferencia de datos.
Byte addressing con memoria alineada.
Las palabras comienzan en direcciones múltiplos de 4.
232 bytes con direcciones de 0 a 232 – 1.
230 palabras con direcciones de 0 a 232 – 4.
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Resumen
El registro $zero siempre contiene valor 0.
Los registro $at, $k0, $k1 están reservados.
Los registros $gp, $sp, $fp y $ra son de propósito
especial.
En particular $sp, $fp y $ra se usan en las llamadas.
Los registros $t0-$t9 son para temporales de vida
corta.
Los registros $s0-$s7 son para temporales de vida
larga.
Los registros $a0-$a3 se usan para pasar argumentos.
Los registros $v0 y $v1 se usan para regresar valores.
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add
MIPS assembly language
Example
Meaning
add $s1, $s2, $s3
$s1 = $s2 + $s3
Three operands; data in registers
subtract
sub $s1, $s2, $s3
$s1 = $s2 - $s3
Three operands; data in registers
addi $s1, $s2, 100
lw $s1, 100($s2)
sw $s1, 100($s2)
lb $s1, 100($s2)
sb $s1, 100($s2)
lui $s1, 100
$s1 = $s2 + 100
Used to add constants
$s1 = Memory[$s2 + 100]Word from memory to register
Memory[$s2 + 100] = $s1 Word from register to memory
$s1 = Memory[$s2 + 100]Byte from memory to register
Memory[$s2 + 100] = $s1 Byte from register to memory
Loads constant in upper 16 bits
$s1 = 100 * 216
beq
$s1, $s2, 25
if ($s1 == $s2) go to
PC + 4 + 100
Equal test; PC-relative branch
branch on not equal bne
$s1, $s2, 25
if ($s1 != $s2) go to
PC + 4 + 100
Not equal test; PC-relative
set on less than
slt
$s1, $s2, $s3
if ($s2 < $s3 ) $s1 = 1;
else $s1 = 0
Compare less than; for beq, bne
set less than
immediate
slti
jump
jump register
jump and link
j
jr
jal
Category
Arithmetic
Instruction
add immediate
load w ord
store w ord
Data transfer load byte
store byte
load upper
immediate
branch on equal
Conditional
branch
Unconditional jump
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$s1, $s2, 100 if ($s2 < 100 ) $s1 = 1;
Comments
Compare less than constant
else $s1 = 0
2500
$ra
2500
go to 10000
Jump to target address
go to $ra
For sw itch, procedure return
$ra = PC + 4; go to 10000 For procedure call
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