Estructura de Computadores 2 [08/09] Entrada

Estructura de Computadores 2 [08/09]
Entrada/Salida en procesadores MIPS
GAC: Grupo de Arquitectura de Computadores
Dpt. Electrónica e Sistemas. Universidade da Coruña.
Bibliografı́a
Computer Organization and Design: The hardware/software interface (3rd ed.), David A.
Patterson and John L. Hennessy. Morgan Kaufmann Publishers, Inc.
(También disponible en castellano: Estructura y diseño de computadores: interficie circuiterı́a/programación)
1.
Introducción
Filosofı́a RISC (Reduced Instruction Set Computer)
• Instrucciones de pocas etapas (buscando además longitud fija de instrucciones)
• instrucciones de carga/almacenamiento (load/store)
• reducido número de métodos de direccionamiento
• juego de instrucciones pequeño
Ejemplos RISC: MIPS, Sun SPARC, HP PA-RISC, IBM PowerPC, Alpha, ARM. . .
Objetivos de diseño: velocidad, coste (diseño, fabricación y testeo), tamaño, consumo
eléctrico, fiabilidad, versatilidad (sistemas empotrados)
Principios básicos:
• simplicidad favorece regularidad
• más pequeño ⇒ más rápido
• hacer el caso más frecuente lo más rápido posible
2.
MIPS: Arquitectura básica y ensamblador
E/S asignada en memoria (MMIO)
Dos modos de funcionamiento: kernel y usuario
La mitad superior del espacio de direcciones sólo accesible en modo kernel : direcciones a
partir de 0x8000 0000.
Esta región incluye:
• Código para el manejo de excepciones
• Datos solo accesibles al SO
• Direcciones de E/S asignadas en memoria: a partir de 0xf f f f 0000
Organización de memoria
Organización de un stack frame
Registros del MIPS y convención sobre su uso
Operandos de instrucciones MIPS
Category
Arithmetic
add
MIPS assembly language
Example
Meaning
add $s1, $s2, $s3
$s1 = $s2 + $s3
Three operands; data in registers
subtract
sub $s1, $s2, $s3
Three operands; data in registers
Instruction
addi $s1, $s2, 100
lw $s1, 100($s2)
sw $s1, 100($s2)
store w ord
lb $s1, 100($s2)
load byte
sb $s1, 100($s2)
store byte
load upper immediate lui $s1, 100
add immediate
load w ord
Data
transfer
$s1 = $s2 + 100
$s1 = Memory[$s2 + 100]
Memory[$s2 + 100] = $s1
$s1 = Memory[$s2 + 100]
Memory[$s2 + 100] = $s1
$s1 = 100 * 2 16
Used to add constants
Word from memory to register
Word from register to memory
Byte f rom memory to register
Byte f rom register to memory
Loads constant in upper 16 bits
branch on equal
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
slt
$s1, $s2, $s3
if ($s2 < $s3) $s1 = 1;
else $s1 = 0
Compare less than; for beq, bne
Conditional
set on less than
branch
Unconditional jump
$s1 = $s2 - $s3
Comments
set less than
immediate
slti
jump
j
jr
jal
jump register
jump and link
$s1, $s2, 100 if ($s2 < 100) $s1 = 1;
Compare less than constant
else $s1 = 0
2500
$ra
2500
Formato de instrucciones del MIPS
go to 10000
Jump to target address
go to $ra
For sw itch, procedure return
$ra = PC + 4; go to 10000 For procedure call
Modos de direccionamiento
Qué se guarda y qué no en una subrutina
leaf_example:
addi $sp, $sp, -4
sw $s0, 0($sp)
int leaf_example (int g, int h, int i, int j) {
int f;
f = (g + h) - (i + j);
return f;
add $t0, $a0, $a1
add $t1, $a2, $a3
sub $s0, $t0, $t1
add $v0, $s0, $zero
}
lw $s0, 0($sp)
addi $sp, $sp, 4
jr $ra
#adjust stack
#save reg $s0
#g+h in $t0
#i+j in $t1
3.
E/S en MIPS
E/S asignada en memoria
3.1.
E/S con interrupciones
Eventos o situaciones excepcionales en flujo de ejecución del MIPS:
1. Petición de dispositivo de E/S
Origen: Externo. Terminologı́a MIPS: Interrupción
2. Llamada al sistema desde espacio usuario
Origen: Interno. Terminologı́a. MIPS: Excepción
3. Desbordamiento aritmético (overflow )
Origen: Interno. Terminologı́a MIPS: Excepción
4. Uso de una instrucción no definida
Origen: Interno. Terminologı́a MIPS: Excepción
5. Problema hardware
Origen: Interno o Externo. Terminologı́a MIPS: Excepción o Interrupción
Para el manejo de excepciones e interrupciones MIPS utiliza el coprocesador 0.
Identificación del motivo de excepción mediante un registro de estado (Registro de causa
o Cause register ) del coprocesador 0 (no usa interrupciones vectorizadas).
Otro registro de estado (Registro de estado o Status register ) permite habilitar/deshabilitar
interrupciones.
Otro registro guarda la dirección de la instrucción interrumpida, es decir, del contador de
programa: EPC register (Exception Program Counter ).
Los registros del coprocesador 0 son accesibles por medio de las instrucciones mfc0 (move
from coprocessor 0 ) y mtc0 (move to coprocessor 0 ):
mfc0
mtc0
$k0, $13
$0, $12
# Reg. $k0 de CPU cargado con contenido de reg causa
# Reg. zero de CPU almacenado en reg estado
# (se borra a cero)
La instrucción rfe (return from exception) habilita de nuevo las interrupciones (bit Interrupt Enable en registro de estado) antes de devolver el control tras la ejecución de una
rutina de servicio.
Un salto incondicional a la dirección de la instrucción siguiente a la que habı́a sido interrumpida devuelve el control tras haber atendido la excepción.
Algunos registros del coprocesador 0 del MIPS
Principales bits del registro de estado del C0 del MIPS
Principales bits del registro de causa del C0 del MIPS
Códigos de causas de excepción
La arquitectura MIPS fija una dirección de memoria como dirección de comienzo del
manejador de excepciones: 0x8000 0080.
Manejo de una excepción en MIPS