Arquitectura de Computadores

Notas de estudo

Alberto José Proença

1998/99

Índice geral

Anexo C: Descrição do MIPS R2000

O Processador
Organização da memória
Características MIPS / SPIM
Construção de programas

1. O Processador

1.1 Unidades

- O processador MIPS é constituído por:
  CPU - unidade principal;
  
  Coprocessadores - unidades auxiliares:
  Nº 0 - gestão de excepções, memória virtual;
  
  Nº 1 - unidade de cálculo em vírgula flutuante.

Figura: MIPS R2000 - CPU e FPU

1.2 Registos

Cada unidade tem os seus próprios registos.

CPU

A tabela apresenta a convenção para o uso dos registos que garante a compatibilidade entre módulos desenvolvidos por diferentes programadores.

Registo	Número	Uso
ra	31	Endereço de retorno de procedimentos
zero	0	Constante 0
at	1	Reservado ao assembler
v0-v1	2-3	Expressões e resultados de funções
a0-a3	4-7	Argumentos 1 - 4
t0-t7	8-15	Valores temporários a descartar
s0-s7	16-23	Valores temporários a preservar
t8-t9	24-25	Valores temporários a descartar
k0-k1	26-27	Reservados ao S.O. (kernel)
gp	28	Apontador para a área global de dados
sp	29	Apontador para a pilha
fp	30	Apontador para a estrutura
ra	31	Endereço de retorno

Tabela: Convenções para uso dos registos do MIPS

Há ainda dois registos especiais associados às operações de multiplicação / divisão. Estes só podem ser acedidos através de 4 instruções específicas que transferem informação entre esses registos (HI e LO) e qualquer um dos 32 registos ($0 a $31).

Coprocessador 0

O SPIM simula os registos do coprocessador 0 necessários para a gestão de excepções.

Registo	Número	Uso
BadVAddr	8	Endereço de memória onde ocorreu a excepção
Status	12	Máscara de interrupções e bits de activação
Cause	13	Tipo de excepção e bits de interrupção pendentes
EPC	14	Endereço da instrução que desencadeou a excepção

Tabela: Nomes dos registos do coprocessador 0 do MIPS

Coprocessador 1 - Processador de vírgula flutuante

O acesso aos registos do coprocessador 1 para cálculos em vírgula flutuante, precisão simples ou dupla, é através do número do registo precedido pela letra f.
Note que para manipular valores v.f. prec. simples estão disponíveis os 32 registos. Para manipular valores v.f. prec. dupla apenas 16 registos estão disponíveis ($f0, $f2, $f4, ..., $f30). Internamente cada um destes registos está associado ao seguinte para formarem um "registo" de 64 bits.

Registo	Número	Usos
$f0 - $f31	0 - 31	32 registos genéricos para guardar valores em vírgula flutuante - precisão simples (32 bits)
$f0 - $f30	0 - 30	16 pares de registos (ex. $0 e $1) para guardar valores em vírgula flutuante - precisão dupla (64 bits)

Tabela: Nomes dos registos do coprocessador 1 do MIPS

1.3 Ordem dos Octetos

- O SPIM numera os octetos de uma palavra obedecendo a uma sequência que depende da convenção usada pelo processador que corre a simulação.
  - big-endian:
  - O mais significativo à frente
  - little-endian:
  - O menos significativo à frente

2. Organização da Memória

- A organização da memória no MIPS é a seguinte:

Figura: Organização da Memória

base - segmento de texto (0x0040 0000) contém as instruções.
intermédia - segmento de dados (0x1000 0000)
- estática - objectos cujo tamanho e endereço é conhecido no momento da compilação ou ligação.
- dinâmica - reservada dinamicamente na invocação de funções, (p. ex. malloc).
topo - a pilha inicia-se em (0x7fff ffff) e cresce em direcção ao segmento de dados.

3. Características MIPS / SPIM

3.1 MIPS

3.1.1 Complexidade
- possui modos de endereçamento limitados;
- complexidade remetida para os programadores.
3.1.2 Ao nível da Máquina Virtual
- A complexidade é ocultada através da definição de uma máquina virtual e respectivo assembler
- não existem instruções retardadas (delayed);
- - nos saltos (delayed branch);
  - na transferência de valores de e para a memória (delayed loads).
- o conjunto de instruções é enriquecido com pseudo-instruções.

3.2. SPIM

O SPIM S20 é um simulador dos processadores RISC - MIPS R2000.
3.2.1 Possibilidades
- ler e executar programas descritos em linguagem assembly;
- ler e executar ficheiros de código MIPS executável;
- estabelecer um interface básico com o computador hospedeiro;
- monitorizar e depurar (debug) programas.
3.2.2 Razões de Utilização
- Equipamento
  - hardware específico nem sempre disponível;
  - arquitecturas cada vez mais complexas;
  - MIPS R2000 é um protótipo de máquina RISC.
- Ambiente de Desenvolvimento
  - interfaces mais elaborados na versão X (XSPIM);
  - melhor detecção de erros;
  - facilmente modificável;
  - estudo de novos processadores e instruções;
  - previsão de comportamento dos programas;
3.2.3 Interface
- O simulador tem um interface simples spim e um mais sofisticado xspim.
  spim(1)                                                   spim(1)
  
  NAME
         xspim - A MIPS R2000/R3000 Simulator
  
  SYNTAX
         xspim     [-asm/-bare     -trap/-notrap    -quiet/-noquiet
         -mapped_io/-nomapped_io -file file -execute file
         -stext size -sdata size -sstack size -sktext size -skdata
         size -ldata size -lstack size -lkdata size
         -hexgpr/-nohexgpr -hexfpr/-nohexfpr]
  
  DESCRIPTION
         SPIM S20 is a simulator that runs programs for the MIPS
         R2000/R3000 RISC computers. (For a description of the real
         machines, see Gerry Kane and Joe Heinrich, MIPS RISC
         Architecture, Prentice Hall, 1992.) SPIM can read and
         immediately execute files containing assembly language or
         MIPS executable files. SPIM is a self-contained system
         for running these programs and contains a debugger and
         interface to a few operating system services.
3.2.4 Interface XSPIM
- Na versão X do spim os painéis estão continuamente a ser actualizados, excepto durante a execução dos programas.

Figura: Interface XSPIM.

3.2.5 Funcionalidade

Comando	Descrição
Quit	Abandonar o simulador
load	Ler um ficheiro assembly ou executável para a memória.
run	Iniciar a execução do programa.
step	Executar passo-a-passo.
clear	Reiniciar os valores dos registos ou da memória.
set value	Atribuir valores aos registos ou à memória.
print	Mostrar o valor dum registo ou duma posição de memória.
breakpoint	Definir, apagar ou mostrar pontos de paragem.
help	Mostrar a mensagem de ajuda.
terminal	Mostrar ou esconder a consola do programa.
mode	Estabelece os modos de operação do simulador

3.3 SPIM versus MIPS

Diferenças

- tempos das instruções - diferentes do real.
- memória - não existem caches nem atrasos no acesso.
- operações - vírgula flutuante, não duram o tempo previsível.

Semelhanças

- pseudo-instruções - expandidas para várias instruções puras.

4. Construção de Programas

O SPIM simula a máquina virtual do MIPS seguindo as convenções da sua linguagem Assembler e dos seus compiladores.

4.1 Sintaxe

comentários - iniciam-se com (#) ;

identificadores - cadeia de caracteres alfanuméricos (_) e (.), não iniciada por um algarismo;

instruções - símbolos reservados que não podem ser usados como identificadores);

etiquetas - identificadores declarados no início de uma linha e terminados por (:);

cadeia de caracteres - definidas entre aspas (") seguindo a convenção:

\n - nova linha;
\t - tabulador;

\'' - aspas;

\\ - barra invertida.

4.2 Directivas

O SPIM contempla um subconjunto de directivas do assembler do MIPS:

4.2.1 Segmentos e Símbolos

O SPIM não faz qualquer distinção entre as directivas (.data, .rdata, and .sdata).

.text <addr>	Se estiver presente o argumento addr o segmento de texto inicia no endereço addr.
.ktext <addr>	Os próximos itens (instruções ou palavras) são incluídos no segmento de texto. Idêntica à anterior para o segmento de texto do Kernel.
.data <addr>	Os próximos itens são incluídos no segmento de dados. Se estiver presente o argumento addr o segmento de dados inicia no endereço addr.
.kdata <addr>	Idêntica à anterior para o segmento de dados do Kernel.
.globl sym	Declara sym como um símbolo global que também pode ser referenciado noutros ficheiros.
.extern sym size	Declara a estrutura de dados declarada sym como um símbolo global que tem n size octetos de comprimento. Sugere que aquela estrutura seja colocada numa posição de memória acessível através do registo $gp.

4.2.2 Dados

.align n	Alinhamento dos dados em quadros de 2ⁿ octetos. 1 - meia palavra (dois octectos ); 2 - palavra ( quatro octetos ); 0 - desliga o mecanismo de alinhamento até uma próxima directiva .data ou .kdata
.ascii str	A cadeia de caracteres não terminada pelo caracter zero é guardada sequencialmente na memória.
.asciiz str	Idêntica à anterior com a cadeia de caracteres terminada pelo caracter zero.
.byte b1,...,bn	Guarda os n octectos sequencialmente na memória.
.space n	Aloca n octectos de espaço no segmento de dados.
.half h1,...,hn	Guarda os n valores de 16-bits ( meia palavra ) sequencialmente na memória.
.word w1,...,wn	Guarda os n valores de 32-bits ( palavras ) sequencialmente na memória.
.float f1,...,fn	Guarda os n valores em vírgula flutuante ( precisão simples ).
.double d1,...,dn	Guarda os n valores em vírgula flutuante ( precisão dupla ).

4.3 Exemplo

        .data
  item: .word 1
        .text
  main: lw $t0, item        # coloca 1 no registo $t0

5. Referências ...

- Este documento foi elaborado a partir informação proveniente de Nikos Drakos, Computer Based Learning Unit, University of Leeds.
  A tradução foi iniciada por João Luís Sobral às 11:45:02 de 16/Out/1996
  O documento foi revisto pela última vez por Paulo Jorge Alves em 30/Nov/1998