Assembler MIPS R2000/3000 Progetto

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TITLE

Assembler MIPS R2000/3000 Progetto

Riccardo Solmi

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Introduzione

§ Scopo del progetto

• Utilizzare l’assembly MIPS per realizzare un programma complesso

• Prendere confidenza con l’architettura degli elaboratori scrivendo un programma di emulazione di un altro processore

§ Processore scelto: JVM

• La Machina Virtuale Java (JVM) è una macchina astratta.

• Ha un set di istruzioni (bytecode)

• Usa diverse aree di memoria

• La JVM può essere implementata in hardware oppure più comunemente in software con un interprete o compilatore.

• Viene usata per eseguire i programmi Java e anche per altri linguaggi

• I programmi per la JVM sono portabili

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Bibliografia

§ The Java Virtual Machine Specification

• Manuale ufficiale della Macchina Virtuale Java http://java.sun.com/docs/books/vmspec/2nd- edition/html/VMSpecTOC.doc.html

• Il capitolo 6 descrive il set di istruzioni della JVM

§ Jasmin assembler

• E’ un assembler per programmare la JVM http://mrl.nyu.edu/~meyer/jvm/jasmin.html

§ Trovate tutto nella pagina web relativa a questo modulo:

• http://www.cs.unibo.it/~solmi/teaching/arch_2002-2003.html

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Restrizioni adottate per la nostra JVM

§ Niente operazioni orientate agli oggetti (OO)

• Niente creazione di oggetti

• Niente accesso ai campi degli oggetti

• Niente invocazione di metodi su oggetti

§ Un solo frame di attivazione

• Perché nella JVM esistono solo chiamate a funzione OO.

§ Solo istruzioni su interi a 32bit con segno

• Niente byte, short, long, char, float e double

• Niente istruzioni di conversione da un tipo ad un altro

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Descrizione della nostra JVM

§ L’area codice

• Dove viene memorizzato il programma

§ Il registro pc (program counter)

• Contiene l’indirizzo dell’istruzione da eseguire

• All’inizio il pc punta all’inizio dell’area codice

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Descrizione della nostra JVM

§ JVM frame

• Contiene le variabili locali e lo stack degli operandi

§ Variabili locali

• Un array (sequenza) di variabili intere indirizzabili con la posizione

§ Stack degli operandi

• Le istruzioni estraggono i parametri dallo stack degli operandi e vi inseriscono il risultato

• Lo stack degli operandi sostituisce i registri

• Gli slot dello Stack sono tutti a 32 bit

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Tipi di Istruzioni

§ Istruzioni di caricamento e salvataggio

• Trasferiscono i dati tra lo stack degli operandi e le variabili locali

• Oppure, caricano nello Stack una costante

§ Istruzioni aritmetiche

• Estraggono gli operandi dallo stack, eseguono una operazione aritmetica e mettono il risultato nello Stack

§ Gestione Stack degli operandi

• Per duplicare, scambiare ed estrarre dati dallo Stack

§ Istruzioni di salto

• Per trasferire il controllo in un altro punto del codice

• Si dividono in salti condizionati e salti incondizionati

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Formato delle istruzioni

§ Formato istruzioni

• Istruzioni senza operandi (1 byte)

• Istruzioni con un operando (2 byte)

• Istruzioni con due operandi (3 byte)

§ NB per comodità al posto dell’opcode uso il mnemonico Opcode

Opcode Operando

Opcode Operando1 Operando2

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§ Operazione

• iload – Carica un intero da una variabile locale

• istore – Salva un intero in una variabile locale

• iload_0, iload_1, iload_2, iload_3 – Carica un intero da una delle prime 4 variabili locali

• istore_0, istore_1, istore_2, istore_3 – Salva un intero in una delle prime 4 variabili locali

• aload – Carica un indirizzo da una variabile locale

• astore – Salva un indirizzo in una variabile locale

• aload_0, aload_1, aload_2, aload_3 – Carica un indirizzo da una delle prime 4 variabili locali

• astore_0, astore_1, astore_2, astore_3 – Salva un indirizzo in una delle prime 4 variabili locali

• bipush, sipush – Carica rispettivamente una costante a 8 o 16 bit con segno

• iconst_m1, iconst_0, iconst_1, iconst_2, iconst_3, iconst_4, iconst_5 – Carica una costante rispettivamente uguale a: -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5

§ NB i dati vengono caricati e salvati nello Stack operandi

Istruzioni di caricamento e salvataggio

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§ Operazione

• iload – Carica un intero da una variabile locale

§ Formato Stack

§ Descrizione

• Legge il valore della variabile locale index e lo inserisce nello Stack

Istruzioni di caricamento e salvataggio: iload

sp pc

iload

index sp val

… …

lv

index val

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§ Operazione

• istore – Salva un intero in una variabile locale

§ Descrizione

• Estrae dallo Stack un valore e lo salva nella variabile locale index.

Istruzioni di caricamento e salvataggio: istore

sp pc

istore

index sp val

…

lv

index val

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§ Operazione

• iload_2 – Carica un intero dalla variabile locale 2

§ Descrizione

• Legge il valore della variabile locale 2 e lo inserisce nello Stack.

Istruzioni di caricamento e salvataggio: iload_2

sp pc

iload_2

sp val

… …

lv

2 val

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§ Operazione

• istore _1 – Salva un intero nella variabile locale 1

§ Descrizione

• Estrae dallo Stack un valore e lo salva nella variabile locale 1 Istruzioni di caricamento e salvataggio: istore_1

sp

sp val

…

lv 1 val pc

istore_1

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§ Operazione

• sipush – Carica nello Stack una costante 16bit con segno

§ Descrizione

• Inserisce nello Stack un valore ottenuto estendendo il segno alla costante con segno così ottenuta:

• (byte1 << 8) | byte2

• Dove: << shift e | or

Istruzioni di caricamento e salvataggio: sipush

pc

sipush

sp value

sp … …

byte1 byte2

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§ Operazione

• iconst_3 – Carica nello Stack la costante intera 3

§ Descrizione

• Inserisce nello Stack la costante intera 3

Istruzioni di caricamento e salvataggio: iconst_3

pc

iconst_3

sp 3

sp … …

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§ Operazione

• iadd – Somma due interi

• isub – Sottrae due interi

• imul – Moltiplica due interi

• idiv – Quoziente della divisione di due interi

• irem – Resto della divisione di due interi

• ineg – Cambio di segno di un intero

• ishl – Shift a sinistra di s bits

• ishr, iushr – Shift a destra di s bits con o senza segno

• ior – Or tra due interi

• iand – And tra due interi

• ixor – Or esclusivo tra due interi Istruzioni aritmetiche

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§ Operazione

• iadd – Somma due interi

§ Descrizione

• Estrae dallo Stack due valori interi, li somma e inserisce nello Stack il risultato

Istruzioni aritmetiche: iadd

pc

iadd

sp

val1

…

sp result

…

val2

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§ Operazione

• pop – Estrae una word dallo Stack

• pop2 – Estrae due word dallo Stack

• dup – Stack: …,word ? …,word,word

• dup2 – Stack: …,w2,w1 ? …,w2,w1,w2,w1

• dup_x1 – Stack: …,w2,w1 ? …,w1,w2,w1

• dup2_x1 – Stack: …,w3,w2,w1 ? …,w2,w1,w3,w2,w1

• dup_x2 – Stack: …,w3,w2,w1 ? …,w1,w3,w2,w1

• dup2_x2 – Stack: ...,w4,w3,w2,w1 ? …,w2,w1,w4,w3,w2,w1

• swap – Scambia le due word in cima allo Stack

§ NB una word può essere un intero o un indirizzo Istruzioni di gestione dello Stack operandi

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§ Operazione

• pop2 – Estrae due word dallo Stack

§ Descrizione

• Estrae dallo Stack due word (possono essere interi o indirizzi)

• Le due word estratte vengono “buttate via”

Istruzioni di gestione dello Stack operandi: pop2

pc

pop2

sp

word2

… sp …

word1

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§ Operazione

• dup_x1 – Duplica la cima dello Stack e lo mette 2 word sotto

§ Descrizione

• Riarrangia la cima dello Stack come da figura

Istruzioni di gestione dello Stack operandi: dup_x1

pc

dup_x1

sp

word2

…

word1

sp

word2

…

word1 word1

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§ Operazione

• swap – Scambia le due word in cima dello Stack

§ Descrizione

• Riarrangia la cima dello Stack come da figura

Istruzioni di gestione dello Stack operandi: swap

pc

swap

sp

word2

…

word1

sp

word1

…

word2

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§ Operazione (salto condizionato)

• ifeq, ifne – Salta se il valore è uguale o diverso da zero

• iflt, ifle – Salta se il valore è minore di o minore uguale a zero

• ifgt, ifge – Salta se il valore è maggiore di o maggiore uguale a zero

• if_icmpeq, if_icmpne – Salta se i valori sono uguali o diversi

• if_icmplt, if_icmple – Salta se il primo valore è < o <= al secondo

• if_icmpgt, if_icmpge – Salta se il primo valore è > o >= al secondo

• if_acmpeq, if_acmpne – Salta se gli indirizzi sono uguali o diversi

§ Operazione (salto incondizionato)

• goto – Salta ad un indirizzo

• jsr – Salta ad un indirizzo e salva il valore di ritorno (nello Stack)

• ret – Salta all’indirizzo contenuto in una variabile locale

§ NB Il valore/i valori da confrontare vengono estratti dallo Stack

§ NB L’indirizzo di destinazione è rappresentato da un offset a 16 bit.

Istruzioni di salto

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§ Operazione

• ifeq – Salta se il valore è uguale a zero

§ Descrizione

• Estrae un valore dallo Stack e se val = 0 salta all’indirizzo ottenuto sommando a quello corrente (pc) un offset con segno così calcolato:

• (byte1 << 8) | byte2 Istruzioni di salto: ifeq

pc

ifeq

sp val

… sp …

byte1 byte2

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§ Operazione

• if_icmplt – Salta se il primo valore è minore del secondo

§ Descrizione

• Estrae due valori dallo Stack e se val1 < val2 salta

all’indirizzo ottenuto sommando a quello corrente (pc) un offset con segno così calcolato:

• (byte1 << 8) | byte2 Istruzioni di salto: if_icmplt

pc

if_icmplt

sp

val1

…

sp …

val2 byte1

byte2

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§ Operazione

• goto – Salta ad un indirizzo

§ Formato

§ Descrizione

• Salta all’indirizzo ottenuto sommando a quello corrente (pc) un offset con segno così calcolato:

• (byte1 << 8) | byte2 Istruzioni di salto: goto

pc

goto byte1 byte2

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§ Operazione

• jsr – Salta ad una subroutine

§ Descrizione

• Salta all’indirizzo ottenuto sommando a quello corrente (pc) un offset con segno così calcolato:

• (byte1 << 8) | byte2

• L’indirizzo dell’istruzione successiva viene messo nello Stack

Istruzioni di salto: jsr

pc

jsr

sp addr

sp … …

byte1 byte2 addr

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§ Operazione

• ret – Salta ad un indirizzo contenuto in una variabile locale

§ Formato

§ Descrizione

• Legge l’indirizzo contenuto nella variabile locale index e vi salta

Istruzioni di salto: ret

pc

ret index

lv

index addr

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Precisazioni

§ Esiste anche una istruzione nop che non fa nulla

§ Quando termina la simulazione?

• In un vero processore... mai

• Nel nostro emulatore:

• Quando viene trovata un’istruzione non emulata

• Nella tabella che segue viene usato l’identificatore err

§ Come si fa a capire se il simulatore funziona correttamente?

• Si scrivono dei programmi di test

• I test possono essere pubblicati sul newsgroup

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Esempio di programma

.data

bytecode: .byte 2 # iconst_m1 .byte 16,15 # bipush 15 .byte 5 # iconst_2 .byte 104 # imul .byte 96 # iadd .byte 59 # istore_0 .byte 255 # err

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Sorgente fornito assieme al progetto

.data .align 4

.word 0xffffffff,0xffffffff,0xffffffff,0xffffffff localVars: .space 64 # 16 local variables

.space 64 # 16 operand slots operandStack:

.align 4

.word 0xffffffff,0xffffffff,0xffffffff,0xffffffff opcodeTable: .word _nop, err, iconst_m1, iconst_0, iconst_1,

# ...

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Consegna

§ Un mail con allegato:

• Un file ARCHxxx.s, contenente il programma.

• xxx deve essere sostituito con le iniziali dei cognomi dei membri del gruppo in ordine alfabetico.

• Esempio: Marco Vassura e Riccardo Solmi consegnerebbero un file chiamato ARCHsv.s

• Il programma deve iniziare con un commento contenente:

• Nome e Cognome di tutti i membri del gruppo

• Descrizione delle scelte fatte in particolare dei registri che usate.

• Un bytecode di esempio scritto da voi di almeno 10 righe che calcoli qualcosa e metta il risultato in una variabile locale.