Kang Chang Ryong

5 분 소요

Addressing Modes

How do we address the operands?(In MIPS)

  • Register Only
  • Immediate
  • Base Addressing
  • PC-Relative
  • Pseudo Direct


Register Only

  • Operands found in registers
    • Example: add $s0, $t2, $t3
    • Example: sub $t8, $s1, $0
  • Immediate
    • 16-bit immediate used as an operand
      • Example:addi $s4, $t5, -73
      • Example: ori $t3, $t7 0xFF


Base Addressing

  • Address of operand is: base address + sign-extended immediate

  • Example: lw $s4, 72($0)
    • $0은 data memory의 address
    • address = $0 + 72
  • Example: sw $t2, -25($t1)
    • address = $t1 - 25


PC-Relative Addressing

  • Program memory

  • 우리는 label을 그냥 사용하면 되지만 예를 들어 else: 로 가야할 때 PC에서 얼마만큼 떨어진 곳으로 가야 하는 지를 알아야 한다.

  • Program memory address

0x10 		beq $t0, $0, else
0x14 		addi $v0, $0, 1 
0x18 		addi $sp, $sp, i
0x1C 		jr $ra
0x20 	else: addi $a0, $a0, -1
0x24 		jal factorial

위와 같은 경우에 beq에서 $t0와 $0가 같으면 else로 jump하는데 이 때 4칸을 뛰어야 한다.

그런데 PC에서는 미리 다음 주소로 이동하기 위해 값을 다음으로 지정해 놓고 있기 때문에 3칸만 뛰어도 되는 것이다.

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BTA(Branch Target Address) = (PC + 4) + (Imm«2)

  • 4를 더한 것은 PC가 다음으로 이동하기 위해 미리 한 칸 가 있는 것이고 imm(3)에 left shift를 2번하면 x4의 효과가 있기 때문에 한 것이다.(따라서 (PC+4) + 12)


Pseudo-direct Addressing

0x0040005C 			jal sum
...
0x004000A0 		sum: add $v0, $a0, $a1

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  • 26bit밖에 없는데 32bit를 만들어야 하는 경우

    • JTA(Jump Target Address)

    • 맨 뒤에 2 비트를 0으로 채움

    • 맨 앞의 4bit(한 바이트)는 PC에서 그대로 가져온다.

    • J타입은 원래 어디로 jump 할 지를 바로 정해주는 direct addressing인데 여기서 32bit를 만들기 위해 앞의 4bit는 PC에서 왔기 때문에 Pseudo-direct addressing이라고 한다.


How to Compile & Run a Program

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What is Stored in Memory?

  • Instructions (also called text)

  • Data

    • Global/static: allocated before program begins

    • Dynamic: allocated within program

  • How big is memory?

    • At most 232 = 4 gigabytes (4 GB)
    • From address 0x00000000 to 0xFFFFFFFF


MIPS Memory Map

  • Text segment: 256MB
  • Global data segment: 64 KB, accessed by $gp
  • $gp does not change during execution (unlike $sp)
  • Reserved: I/O 영역(위) 과 OS(아래)가 사용하는 공간

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Example RISC-V Memory Map

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address는 다르지만 기본적인 구조는 매우 유사함(MIPS와)


Example Program: C Code

int f, g, y; // global variables
int main(void) 
{
    f = 2;
    g = 3;
    y = sum(f, g);
    
    return y;
}
int sum(int a, int b) {
	return (a + b);
}

Example Program: compiling

.data
f:
g:
y:
.text
main:
    addi $sp, $sp, -4 	# stack frame
    sw $ra, 0($sp) 		# store $ra
    addi $a0, $0, 2 	# $a0 = 2
    sw $a0, f 			# f = 2 ; label을 그냥 그대로 써도 됨
    addi $a1, $0, 3 	# $a1 = 3
    sw $a1, g 			# g = 3
    jal sum 			# call sum
    sw $v0, y 			# y = sum()
    lw $ra, 0($sp) 		# restore $ra
    addi $sp, $sp, 4 	# restore $sp
    jr $ra 				# return to OS
sum:
    add $v0, $a0, $a1 	# $v0 = a + b
    jr $ra 				# return

Example Program: Symbol Table

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f,g,y : data memory

main, sum: program memory(text memory)


Example Program: linking (Executable)

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sw $a0, 0x8000($gp)가 의미하는 것:

global pointer는 memory의 global data 공간을 가리키고 있는데 이 공간에서 0x8000만큼 떨어진 곳으로 store하라는 것인데 0x8000은 맨 앞의 8이 이진수로 ‘1000’을 나타내고 이는 -8이기 때문에 -8000을 의미하는 것이기 때문에 0x10008000에 있던 $gp 가 0x10000000으로 가서 f를 저장하고 g를 저장할 때는 0x8004만큼 움직이면 -7996을 의미하는 것이기 때문에 f를 저장한 곳보다 4만큼 위의 공간에 저장하는 것이다.


Example Program: loading (in memory)

  • OS loads the program from storage
  • OS sets $gp=0x10008000, and $sp= 0x7ffffffc, and jump to the beginning of the program (jal 0x00400000).
  • Reserved area: memory-mapped I/O, interrupt vector

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Lab 1: MIPS Assembly Programming

MIPS을 해보는 것처럼 실행할 수 있는 runtime simulator인 MARS로 구동시킬 것임

Odds & Ends (Misc.)

  • Pseudo-instructions
    • Not a part of ISA, but commonly used
    • assembler가 진짜 instruction으로 바꿔줌
  • Exceptions(interrupt)
    • Unscheduled function call(예기치 않은 function call)
    • Exception handler is at 0x80000180
  • Signed and unsigned instructions
  • Floating-point instructions


Pseudoinstruction

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  • li $s0, 0x1234AA77 (load immediate) : 32bit를 immediate로 쓸 때에는 두 과정으로 나누어 준다.
    • lui / ori


Exception

  • Unscheduled function call to exception handler
  • Caused by:
    • Hardware, also called an interrupt, e.g., keyboard
    • Software, also called traps, e.g., undefined instruction
  • When exception occurs, the processor:
  • Records the cause of the exception (원인을 저장)
  • Jumps to exception handler (at instruction address 0x80000180)
  • Returns to program


Exception Registers

  • Not part of register clk

    • Cause: Records cause of exception

    • EPC (Exception PC): Records PC where exception occurred

      • exception handler에서 다 처리한 후 다시 돌아올 자리

  • EPC and Cause: part of Coprocessor 0

  • Move from Coprocessor 0

    • mfc0 $t0, EPC
    • Moves contents of EPC into $t0


Exception Causes

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Exception Flow

  • Processor saves cause and exception PC in Cause and EPC
  • Processor jumps to exception handler (0x80000180)
  • Exception handler:
    • Saves registers on stack
      • 내가 사용할 register 저장(어떤 register가 문제인지 모르기 때문에)
    • Reads Cause register
      • mfc0 $k0, Cause
    • Handles exception
    • Restores registers
    • Returns to program
    • mfc0 $k0, EPC //$k0, $k1 reserved by OS jr $k0
    • jr $k0

Exception Example

  • Example: read one input from a keyborad (assum interrupt is enabled)

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$k0-$k1 : OS temporaries


Signed & Unsigned Instructions

  • Addition and subtraction
  • Multiplication and division
  • Set less than


Addition & Subtraction

  • Signed: add, addi, sub
    • Same operation as unsigned versions
    • But processor takes exception on overflow
  • Unsigned: addu, addiu, subu
    • Doesn’t take exception on overflow

Note: addiu sign-extends the immediate (two versions are identical except exception is triggered.


Mul

  • Signed: mult, div
  • Unsigned: multu, divu

ex) 0xFFFF_FFFF * 0xFFFF_FFFF

=> 0xFFFFFFFE00000001 (unsigned)

=> 0x0000000000000001 (signed)


Set Less Than

  • Signed: slt, slti
  • Unsigned: sltu, sltiu

Note: sltiu sign-extends the immediate before comparing it to the register.


Loads

  • Signed:
    • Sign-extends to create 32-bit value to load into register
    • Load halfword: lh
    • Load byte: lb
  • Unsigned:
    • Zero-extends to create 32-bit value
    • Load halfword unsigned: lhu
    • Load byte: lbu


Floating-Point Coprocessor(or Accelerator)

별로 중요하지 않음, 내부가 중요함


Example design

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Floating-Point Instructions

  • Floating-point coprocessor(Coprocessor 1)
  • 32 32-bit floating-pointer registers($f0-$f31)
  • Double-precision values held in two floating point registers
    • e.g., $f0 and $f1,$f2 and $f3, etc.
    • Double-precision floating point registers: $f0, $f2, $f4, etc.

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F-Type Instruction Format

  • Opcode = 17 (0100012)
  • Single-precision:
    • cop = 16 (0100002)
    • add.s , sub.s, div.s, neg.s, abs.s, etc.
  • Double-precision:
    • cop = 17 (0100012)
    • add.d, sub.d, div.d, neg.d, abs.d, etc.


Floating-Point Branches

  • Set/clear condition flag: fpcond
    • Equality: c.seq.s, c.seq.d
    • Less than: c.lt.s, c.lt.d
    • Less than or equal: c.le.s, c.le.d
  • Conditional branch
    • bclf: branches if fpcond is FALSE
    • bclt: branches if fpcond is TRUE
  • Loads and stores
    • lwc1: lwc1 $ft1, 42($s1) ; load coprocessor 1
    • swc1: swc1 $fs2, 17($sp)


ARM & MIPS instruction set

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난이도: MIPS < RISC-V < ARM

ARM은 복잡, MIPS은 비교적 쉬움, 이 사이에 있는 것이 RISC-V

Q)

A)handling하는 방식이 processor마다 조금씩 다를 수 있다.

Q)floating point /single, double

A)

범위가 틀린 것

single precision

  • 32 bit
  • float a;

double precision

  • 64bit
  • double b;

Q)unsigned에서는 overflow가 일어나지 않는데 이를 어떻게 처리하는 것인가?

A)있을 수 있으나 무시하여 발생하지 않도록 설계하는 것이다.

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참고