計算機構成　第 7 回サブルーチンコールとスタックテキスト p85-90

計算機構成　第7回サブルーチンコールとスタックテキストp85-90計算機構成　第7回サブルーチンコールとスタックテキストp85-90 情報工学科天野英晴

サブルーチンコール メインルーチン A サブルーチンは呼ばれた所に戻っていく違った場所で呼べるソフトウェアのモジュール化が可能現在のプログラムでは不可欠 call A return call A サブルーチンコール命令の実装における選択 →戻り番地（pc+1)をどこにしまうか？

Jump and Link • 戻り番地を最大番号のレジスタに保存 • POCOの場合r7 • 古典的な手法でマインフレーム時代に使われた • Branch and Link命令 • RISCで最も良く使われる方式 JAL X : pc←pc+1+X, r7←pc+1 10101 XXXXXXXX 飛ぶ範囲はJMPと同じく11ビット（-1024～1023）議論1：サブルーチンの入れ子（ネスト）に対応しない議論2：r7にしまうのは命令の直交性を損ねる（格好わるい）

2乗を計算する例 LDIU r0,#0 LD r1,(r0) MV r2,r1r1とr2に同じ値をセットする JAL mult end: JMP end // Subroutine Mult r3 ←r1×r2 ここでr2は破壊される mult: LDIU r3,#0 loop: ADD r3,r1 ADDI r2,#-1 BNZ r2, loop JR r7

POCOのサブルーチンコール メインルーチン A リターン命令にはJR r7が利用可能ここで疑問：サブルーチンの中で別のサブルーチンを呼ぶとr7が壊れて戻れなくなるのでは？その通り！しかし他にも壊れては困るレジスタはあるはず →保存するためにスタックが必要 JAL B？ JAL A JR r7 JAL A

スタック データを積む棚 push操作でデータを積み pop操作で取り出す • LIFO(LastIn First Out)、FILO(First In Last Out)とも呼ばれる • 演算スタックとは違う（誤解しないで！） • 主記憶上にスタック領域が確保される C C push pop C B B B A A A

Bでは r0,r1が 壊れるスタックを使った入れ子構造への対応 B メインルーチン push r0, push r1 A r1 push r0, push r7 r0 r7 JAL B r0 r7 pop r1, pop r0 JAL A r0 JAL C JR r7 pop r7, pop r0 JR r7 Cでは r1,r2が壊れる JAL A Aでは r0,r7が壊れる C push r1, push r2 r2 r1 r7 壊れるレジスタをサブルーチンの入り口でpushして保存し、出口でpopして復帰 →　呼ぶ方で保存する方法もある r0 pop r2, pop r1 JR r7

スタックの実現(push) • r6をスタックポインタとする • スタックポインタをマイナスしてからSTする push 0、push 1は ADDI r6,#-1 ST r0,(r6) ADDI r6,#-1 ST r1,(r6) r1 r0 r6 r1 スタック領域 r0 r6

スタックの実現(pop) • スタック領域はメモリの番地の小さい方に伸びる→昔からの習慣 • pop操作は、LDしてからスタックポインタを＋する。 pop 1、pop 0は LD r1(r6) ADDI r6,#1 LD r0,(r6) ADDI r6,#1 r1 r6 r1 r0 r0 r6

2乗を計算する例 r2を破壊しないサブルーチンコール r6はメインルーチンで初期化する必要がある // Subroutine Mult r3 ←r1×r2 mult: ADDI r6,#-1 ST r2,(r6) LDIU r3,#0 loop: ADD r3,r1 ADDI r2,#-1 BNZ r2, loop LD r2,(r6) ADDI r6,#1 JR r7

JALを巡る議論 • 戻り番地を汎用レジスタに格納する方針 • どっちみちスタックに汎用レジスタにしまう • ならば入れ子になるときには、r7もついでにしまってやれば良い • システムスタックを持っていてCall時にこれにしまう方法（IA32などの方法）と比べて劣ってはいない→むしろ不必要なメモリ読み書きが減る • ではｒ７に決めちゃうのはどうなの？ • 任意のレジスタにしまうことができても意味がない • JALはできるだけ遠くに飛びたいのでレジスタのフィールドはないほうが良い • 多少の格好の悪さは我慢しよう！

JAL命令のVerilog記述 • pcをr7に保存する assign rf_c = ld_op ? ddatin: jal_op ? pc+1: alu_y; assign rwe = ld_op | alu_op…| jal_op; assign cadr = jal_op? 3’b111 : rd; rfile rfile_1(.clk(clk), .a(rf_a), .aadr(rd), .b(rf_b), .badr(rs), .cadr(cadr), .we(rwe); 今までと異なりレジスタファイルのaadr=cadrではなくなる。この二つを分離する必要がある

JALのVerilog記述 飛び方はJMPと同じ always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) pc <= 0; else if ((bez_op & rf_a == 16’b0) | (bnz_op & rf_a != 16’b0) | (bpl_op & ~rf_a[15]) | (bmi_op & rf_a[15])) pc<=pc+{{8imm[7]}},imm}+1; else if (jmp_op| jal_op) pc <= pc +{{5{idatain[10]}},idatain[10:0]}}+1; else if(jr_op) pc <= rf_a; else pc<=pc+1; end

R型命令一覧

I型命令一覧

J型命令一覧

演習１．multを利用して0番地の数の３乗を計算せよ２．JALRrdは、JAL同様r7に戻り番地をしまってJR同様rdの中身の番地にそのまま飛ぶ命令である。これを実装せよ。 JALRrd00000ddd---11000

計算機構成 第 7 回 サブルーチンコールとスタック テキスト p85-90