Computadores de Programação (MAB353)

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Computadores de Programa¸c˜

ao (MAB353)

Aula 8: Traduzindo instru¸cões MIPS em instru¸cões de máquina

Prof. Silvana Rossetto

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Sum´ario

Representa¸cão de instru¸cões no computador Endere¸camento MIPS Comunicando-se com as pessoas Referências bibliográficas

1 Representa¸c˜ao de instru¸c˜oes no computador

Formatos de instru¸c˜oes MIPS

2 Endere¸camento MIPS

Endere¸camento de operandos imediatos de 32 bits Endere¸camento em desvios

Modos de endere¸camento do MIPS

3 Comunicando-se com as pessoas

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Representa¸c˜

ao de instru¸c˜

oes no computador

As instru¸cões são armazenadas no computador como sequências de números binários

(por isso programas s˜ao disponibilizados como arquivos bin´arios)

os nomes dos registradores s˜ao convertidos nos n´umeros correspondentes

cada instru¸cão é mapeada para um código numérico espec´ıfico os endere¸cos de memória e constantes já são valores numéricos

A versão do programa em mnemônicos é chamada programa em linguagem de montagem e a versão numérica do programa é chamada programa em linguagem de máquina

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Sum´ario

Representa¸c˜ao de instru¸c˜oes no computador

Endere¸camento MIPS Comunicando-se com as pessoas Referˆencias bibliogr´aficas

Mapeamento dos registradores

Name Register number Usage

Preserved on call?

$zero 0 The constant value 0 n.a.

$v0–$v1 2–3 Values for results and express ion evaluation no

$a0–$a3 4–7 Arguments no

$t0–$t7 8–15 Temporaries no

$s0–$s7 16–23 Saved yes

$t8–$t9 24–25 More temporaries no

$gp 28 Global pointer yes

$sp 29 Stack pointer yes

$fp 30 Frame pointer yes

$ra 31 Return address yes

FIGURE 2.14 MIPS register conventions. Register 1, called $at, is reserved for the assembler (see Section 2.12), and registers 26−27, called $k0−$k1, are reserved for the operating system. This information is also found in Column 2 of the MIPS Reference Data Card at the front of this book. Copyright © 2009

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Formato das instru¸c˜

oes

O “layout” de uma instru¸cão é chamado formato da instru¸cão e é composto de vários campos cujos valores são mapeados para números binários

Todas as instru¸c˜oes MIPS possuem 32 bits

Como as instru¸cões requerem parâmetros diferentes, o MIPS define diferentes formatos de instru¸cões:

R-format (R): formato usado pelas instru¸cões aritméticas I-format (I): formato usado pelas instru¸cões de transferência de dados ou com valores imediatos

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Sum´ario

Formato das instru¸c˜

oes

Name Fields Comments

Field size 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits All MIPS instructions are 32 bits long

R-format op rs rt rd shamt funct Arithmetic instruction format

I-format op rs rt address/ immediate Transfer, branch, imm. format

J-format op target address Jump instruction format

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Formato R (registrador)

Campos do formato R

op: código da opera¸cão básica

rs: n´umero do registrador do primeiro operando rt: n´umero do registrador do segundo operando

rd: n´umero do registrador de destino (resultado da opera¸c˜ao) shamt: quantidade de shift (deslocamento)

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Sum´ario

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Mapeamento das instru¸c˜

oes de shift

As instru¸cões de shift também são mapeadas no formato R Elas fazem uso do campo shamt (shift amount)

O campo rd contém o registrador de destino, o campo rt contém o registrador operando, e o campo shamt contém o valor do deslocamento

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Sum´ario

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Formato I (imediato)

Campos do formato I

op: código da opera¸cão básica

rs: n´umero do registrador do primeiro operando rt: n´umero do registrador do segundo operando constante/endere¸co:

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Sum´ario

Exemplo de tradu¸c˜

ao da instru¸c˜

ao lw no formato I

Figura: Obs.: O campo rs recebe 19 ($s3

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Formato J (jump)

Campos do formato J

op: c´odigo da opera¸c˜ao endere¸co: endere¸co de desvio

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Sumário Representa¸cão de instru¸cões no computador

Endere¸camento MIPS

Comunicando-se com as pessoas Referˆencias bibliogr´aficas

Endere¸camento de operandos imediatos de 32 bits

Endere¸camento em desvios Modos de endere¸camento do MIPS

Endere¸camento de operandos imediatos de 32 bits

Operandos imediatos de 32 bits

A instru¸c˜ao lui (load upper immediate) foi acrescentada pelo MIPS para permitir constantes que requerem mais de 16 bits Ela permite setar os 16 bits mais altos de uma constante em um registrador, a instru¸c˜ao seguinte deve especificar os 16 bits mais baixos da constante

A instru¸c˜ao lui transfere os 16 bits imediato para os 16 bits mais a esquerda do registrador, preenchendo os 16 bits mais a direita com zeros

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Instru¸c˜

ao lui

The machine language version of lui $t0, 255 # $t0 is register 8: 001111 00000 01000 0000 0000 1111 1111

Contents of register $t0 after executing lui $t0, 255:

0000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 0000

FIGURE 2.17 The effe ct of the lui instruction. The instruction lui transfers the 16-bit immediate constant fi eld value into the leftmost 16 bits of the register, fi lling the lower 16 bits with 0s. Copyright © 2009 Elsevier, Inc. All rights reserved.

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Endere¸camento em desvios Modos de endere¸camento do MIPS

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Uso da instru¸c˜

ao lui

O compilador ou o montador deve “quebrar” constantes grandes em peda¸cos e remont´a-los em um registrador No MIPS essa tarefa ´e do montador

Ele usa um registrador tempor´ario: $at (reservado para uso do montador)

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Endere¸camento em desvios

Nos desvios incondicionais, o campo de endere¸co tem 26 bits (formato J)

Nos desvios condicionais, o campo de endere¸co tem 16 bits (formato I)

Para ampliar o espa¸co de endere¸camento das instru¸cões de desvio condicional, a idéia é usar um registrador base, cujo valor sempre deve ser adicionado ao endere¸co de desvio (novo endere¸co = Reg + endere¸co de desvio)

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Endere¸camento em desvios

Observar como os desvios condicionais s˜ao normalmente usados:

Os desvios condicionais aparecem em loops e em senten¸cas if, então eles tendem a desviar a execu¸cão para uma instru¸cão próxima

Dado que o registrador PC tem o endere¸co da instru¸c˜ao corrente, podemos desviar + − 215 palavras a partir da instru¸c˜ao corrente, usando o PC como registrador base do endere¸co de desvio

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Endere¸camento relativo ao PC

Defini¸c˜ao

Regime de endere¸camento no qual o endere¸co ´e a soma do valor do PC e a constante na instru¸c˜ao

Como as instru¸cões MIPS possuem 32 bits, o endere¸camento relativo ao PC refere-se ao número de palavras até a próxima instru¸cão (ao invés do número de bytes)

Permite tratar o caso do desvio para as subrotinas (usando a instru¸cão jal) (as subrotinas podem não estar próximas ao PC) (o espa¸co de endere¸camento é então “esticado” de 4 vezes)

O endere¸co relativo é sempre em rela¸cão ao endere¸co seguinte a instru¸cão corrente: PC+4

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Aumentando o espa¸co de endere¸camento

Se o endere¸co de desvio for distante, ultrapassando o

endere¸camento poss´ıvel com 16 bits, o montador pode inserir um jump incondicional para atingir o alvo e inverter a condi¸c˜ao

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Sum´

ario dos modos de endere¸camento do MIPS

As diferentes formas de endere¸camento do MIPS s˜ao

genericamente chamadas modos de endere¸camento, e incluem: Endere¸camento imediato: o operando é uma constante dentro da própria instru¸cão

Endere¸camento por registrador: o operando ´e um registrador

Endere¸camento de base: o operando está em uma localiza¸cão de memória cujo endere¸co é a soma de um registrador e uma constante presentes na instru¸cão

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Sum´

ario dos modos de endere¸camento do MIPS

Endere¸camento relativo ao PC: o endere¸co de desvio é a soma do valor atual do PC e a constante na instru¸cão (adiciona um endere¸co de memória de 16 bits – deslocado à esquerda de 2 – com o valor de PC)

Endere¸camento pseudo-direto: o endere¸co de desvio são os 26 bits da instru¸cão, concatenados com os bits mais altos do PC (concatena um endere¸co de 26 bits – deslocado à

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Decodificando a linguagem de m´

aquina

Algumas vezes pode ser necess´ario engenharia reversa da linguagem de m´aquina (ex., para tratar um “core dumped”)

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Comunicando-se com as pessoas

A representa¸c˜ao ASCII (Americam Standard Code for Information Interchange) ´e normalmente usada para representar caracteres

O conjunto de instru¸cões MIPS permite extrair um byte de uma palavra, então as opera¸cões para carregar e armazenar uma palavra (lw, sw) são suficientes para transferir bytes e palavras

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Sumário Representa¸cão de instru¸cões no computador Endere¸camento MIPS

Comunicando-se com as pessoas

Referˆencias bibliogr´aficas

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Intru¸c˜

oes sobre bytes

load byte (lb) e store byte (sb)

..entretanto, como é comum opera¸cões sobre bytes (caracteres de um texto), o MIPS provê instru¸cões para movimenta¸cão de bytes:

lb (load byte): carrega um byte da mem´oria, coloca o byte nos 8 bits mais a direita do registrador

sb (store byte): armazena um byte na mem´oria, pega os 8 bits mais a direita do registrador

Exemplos

lb $t0, 0($sp) (lˆe do ponteiro da pilha) sb $t0, 0($gp) (escreve no ponteiro da pilha)

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Carga de bytes com ou sem sinal

O tratamento de dados com ou sem sinal se aplica para opera¸cões aritméticas e também para a carga de dados na memória

A fun¸cão da carga sinalizada é copiar o sinal para preencher o restante do registrador (de modo a guardar a representa¸cão correta do valor no registrador)

Cargas (transferˆencias) n˜ao sinalizadas simplesmente acrescentam ZEROs

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Carga de bytes com ou sem sinal

Quando uma palavra de 32 bits ´e carregada para um

registrador (de 32 bits), a carga sinalizada ou n˜ao-sinalizada tem o mesmo efeito

Para a carga de bytes, o MIPS oferece duas alternativas de instru¸c˜oes: lb, lbu

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Carga de bytes com ou sem sinal

Carga com sinal (lb)

lb: trata o byte como um n´umero com sinal, e ent˜ao estende o sinal para preencher o restante do registrador

Carga sem sinal (lbu)

lbu: usado com n´umeros n˜ao-sinalizados (usado normalmente para trabalhar com caracteres)

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Representa¸c˜

ao de Strings

Caracteres s˜ao normalmente concatenados em strings, h´a 3 maneiras de representar strings:

1 A primeira posi¸c˜ao da string ´e reservada para indicar o

tamanho da string

2 Uma vari´avel que acompanha a string guarda o tamanho da

string (como uma estrutura de dados)

3 _{A ´}_{ultima posi¸}_c˜_{ao da string ´}_{e ocupada por um caractere}

especial, usado para marcar o final da string (C usa essa op¸c˜ao)

ex., a string “Cae” ´e representada em C por 4 bytes (67,97,108,0)

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Caracteres e strings em Java

Java usa 16 bits para representar caracteres (codifica¸c˜ao Unicode) e uma palavra adicional para guardar o tamanho da string (similar a vetores em Java)

O MIPS oferece instru¸cões especiais para carga e armazenamento de quantidades de 16 bits (halfwords) lh: carrega 16 bits de memória para os 16 bits mais a direita de um registrador, fazendo extensão do sinal

lhu: trabalha com valores sem sinal

sh: pega os 16 bits mais a direita do registrador e escreve na mem´oria

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Alinhamento da pilha

O MIPS tenta manter a pilha alinhada com os endere¸cos de palavras, para permitir que o programa use lw, sw para acessar a pilha

Essa conven¸cão significa que uma variável char de C alocada na pilha ocupa 4 bytes, mesmo que ela precise de apenas 1 Entretanto, uma variável string C irá empacotar 4 bytes (char) por palavra

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Sumário Representa¸cão de instru¸cões no computador Endere¸camento MIPS Comunicando-se com as pessoas