پردازنده MIPS

1. Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department پردازنده MIPS مقدمه دستورات & کتاب Patterson & Henessi

2. مقدمه • MIPS یکی از اولین پردازندهای RISC است که بصورت تجاری عرضه و موفق شده است. در سال 1984 توسط تیمی دردانشگاه استانفورد طراحی شده است. • پردازنده ای ساده ولی در عین حال قوی است. • در تجهیزات مختلفی بصورت embedded استفاده شده است: • Various routers from Cisco • Game machines like the Nintendo 64 and Sony Playstation 2

3. ویژگیها • تعداد زیاد رجیسترهای همه منظوره • مجموعه کوچک دستورات • MIPS32: 168 instructions • MIPS64: 258 instructions • اندازه دستورات ثابت ولی فرمت آنها متغیر است • دسترسی به حافظه محدود به دستورات load/store است • مد های آدرس دهی محدود است.

4. رجیسترها • این پردازنده دارای 32 رجیستر 32 بیتی است: • R0 .. R31 • رجیستر R0 بصورت سخت افزاری با مقدار صفر پر شده است یعنی همیشه برابر با صفر است • رجیستر R1 برای کار اسمبلر رزرو شده است • از بقیه رجیستر ها میشود در برنامه ها استفاده نمود. • عملوند ها همیشه باید در یکی از رجیستر ها قرار داشته باشند.

5. 32 32 32 D data Write 5 D address 32  32 Register File 5 5 A address B address A data B data رجیستر فایل • وقتی تعداد رجیسترها افزایش مییابد آنها بصورت رجیستر فایل ساخته میشوند: If Write = 1, then D data is stored into D address. • You can read from two registers at once, by supplying the A address and B address inputs. The outputs appear as A data and B data. • Registers are clocked, sequential devices. • We can read from the register file at any time. • Data is written only on the positive edge of the clock.

6. سایر رجیستر ها • علاوه بر ر جیسترهای فوق MIPS دارای رجیسترهای دیگری نیز میباشد: • PC (program counter) register and Status register • Floating point registers

7. نامگذاری رجیسترها برای سهولت استفاده در نرم افزار 0 zero constant 0 1 at reserved for assembler 2 v0 expression evaluation & 3 v1 function results 4 a0arguments 5 a1 6 a2 7 a3 8 t0temporary: caller saves . . . (callee can clobber) 15 t7 16 s0callee saves . . . (callee must save) 23 s7 24 t8temporary (cont’d) 25 t9 26 k0 reserved for OS kernel 27 k1 28 gp Pointer to global area 29 sp Stack pointer 30 fp frame pointer 31 ra Return Address (HW) برای اینکه برنامه نویسی اسمبلی راحت تر باشد به هر رجیستر اسمی داده شده است

8. انواع داده • داده های حمایت شده • Integer • 8-bit char • 16-bit half-word • 32-bit word • 64-bit double-word • Floating point • 32-bit single precision • 64-bit single precision • paired single precision • IEEE 754 standard 0% 69% Doubleword 74% Word 31% 19% Halfword Int Avg. 0% FP Avg. 7% Byte 0% 0% 20% 40% 60% 80% مقایسه رجوع به داده ها بر اساس اندازه آنها

9. 232 8memory ADRS OUT DATACS WR 8 8 32 حافظه MIPS • MIPS دارای 32 خط آدرس است. یعنی میتواند تا 232محل حافظه را آدرس دهی نماید. در هر محل حافظه یک بایت داده قرار میگیرند. • This results in a 232 x 8 RAM, which would be 4 GB of memory.

10. 0 32 bits of data 4 32 bits of data 8 32 bits of data 12 32 bits of data سازمان حافظه • هر کلمه دارای 4 بایت میباشد • 232 bytes with byte addresses from 0 to 232-1 • 230 words with byte addresses 0, 4, 8, ... 232-4 Registers hold 32 bits of data

11. 31 23 15 7 0 0 this word is aligned; the others are not! 4 8 12 address 16 20 24 سازمان حافظه : Alignment Words are aligned

12. Address 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 8-bit data Word 1 Word 2 Word 3 سازمان حافظه : Alignment • توجه داشته باشید که آدرس حافظه بر مبنای بایت ایجاد میشود. از اینرو یک کلمه 32 بیتی 4 محل حافظه را اشغال خواهد نمود. • در معماری MIPS کلمات باید بصورت aligned در حافظه قرار گیرند. یعنی یک کلمه 32 بیتی باید در یک محلی از حافظه قرار گیرد که آدرس آن مضربی از 4 باشد. • 0, 4, 8 and 12 are valid word addresses. • 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10 and 11 are not valid word addresses. • در صورتی که به اشتباه قصد دسترسی به بک محل حافظه unaligned داشته باشد یک خطای bus error رخ خواهد داد. • این محدودیت برای برنامه نویسی با زبان سطح بالا تاثیر قابل ملاحظه ای ندارد اما به پردازنده کمک میکند تا اندکی سریعتر عمل کند.

13. آرایه ای از کلمات • باید هنگام کار با آرایه ها مراقب بود که اگر آرایه ای برای مثال از محل 2000 حافظه شرع شود، عضو اول آن در آدرس 2000 و عضو دوم آن در آدرس 2004 خواهد بود و نه در آدرس 2001 • برای مثال اگر رجیستر $a0 دارای مقدار 2000 باشد: lw $t0, 0($a0) به اولین عضو اشاره میکند در حالیکه lw $t0,8($a0) به سومین عضو آرایه که در آدرس 2008 است دسترسی پیدا خواهد نمود.

14. Big Endian Byte B+0 B+1 B+2 B+3 MSB LSB Little Endian Byte B+3 B+2 B+1 B+0 ترتیب بایت های یک کلمه در حافظه • دو روش برای مشخص کردن ترتیب بایتها در حافظه وجود دارد: • Big endian: word address (lowest numerical byte address) is the address of the most significant byte • Little endian: word address is the address of the least significant byte B is some base address

15. 203 202 201 200 ترتیب بایت های یک کلمه در حافظه Little Endian Big Endian similar to writing English 12 78 34 56 56 34 78 12 memory address B=200 is the base address in this example در معماری MIPSمیتوان پردازنده را برای هر یک از این دو روش تنظیم کرد.

16. انواع اصلی دستورالعملهای MIPS • Arithmetic • Integer • Floating Point • Memory access instructions • Load & Store • Control flow • Jump • Conditional Branch • Call & Return

17. دستورات محاسباتی • چهار دسته دستورات محاسباتی وجود دارند: • Add • Subtract • Multiply • Divide

18. دستورات محاسباتی • تمامی دستورت ALU نظیر دستورات جمع و ضرب دارای 3 عملوند هستند: یکی برای مقصد و دو تای دیگر برای مبدا داده ها. هر سه عملوند ها باید یکی از رجیستر های MIPS باشند. تمامی محاسبات 32 بیتی هستند. • C code: A = B + C; E = F - A;MIPS code: add $t0, $s1, $s2 sub $s4, $s5, $s0 • Unsigned arith: addu/subu (overflow undetected) Assembly language format:label: operation dest reg, first src reg, second src reg # Comment

19. دستورات محاسباتی • اصول معماری: • تمامی محاسبات بر روی داده های رجیسترها انجام میشود. یعنی نمیتوان عددی را که در حافظه ذخیره شده است با یک رجیستر جمع کرد. برای اینکار ابتدا باید محتوی حافظه به رجیستر به منتقل شده و عملیات بر روی داده های رجیستر ها انجام شود. • ترتیب اپراندها همیشه ثابت است: اول مقصد نوشته میشود.

20. نوشتن توضیحات در برنامه نویسی به زبان اسمبلی MIPS • Hash (#) is used for MIPS comments • anything from hash mark to end of line is a comment and will be ignored

21. دستورات محاسباتی Add/Sub_Immediateinstructionsیک عدد 16 بیتی با علامت و یا بدون علامت را با یکی از رجیستر های 16 بیتی جمع / تفریق مینماید.      Destination Reg = Source Register + Immediate       Example: A = A - 4 addi $t0, $t0, -4 # $t0 = $t0 –4 Signed/Unsigned Arithm: addi, addiu Assembly language format(I-format):label: operation dest_reg, src_reg, immediate value/constant # Comment

22. مثال • تبدیل برنامه C به اسمبلی MIPS a = b + c + d - e; • Break into multiple instructions add $t0, $s1, $s2 # temp = b + c add $t0, $t0, $s3 # temp = temp + d sub $s0, $t0, $s4 # a = temp - e • Notice: A single line of C may break up into several lines of MIPS.

23. مثال • How do we do this? f = (g + h) - (i + j); • Use intermediate temporary register add $t0,$s1,$s2 # temp = g + h add $t1,$s3,$s4 # temp = i + j sub $s0,$t0,$t1 # f=(g+h)-(i+j)

24. دستورات منطقی • برخی ازدستورات منطقی موجود درMIPS • AND • bit-wise AND between registers • and $t1, $s0, $s1 • OR • bit-wise OR between registers • or $t1, $s0, $s1 • NOR • Bit-wise NOR between registers • nor $t1, $s0, $s1 • nor $t1, $t0, $0 # $t1 = NOT($t0) • Immediate modes • andiandori

25. دستورات دسترسی به حافظه • داده ها را بین حافظه و رجیسترها منتقل میکنند. دارای 3 اپراند میباشند: • LW/SW instruction:  • آدرس داده در حافظه بصورت زیر محاسبه میشود • Source Address = Source Base Address + Offset Load/Store Assembly language format(I-format):label: operation dest_reg, offset ( src_reg)# Comment A number Name of register to get base address from Name of register to put value in

26. مثال : Load Word lw $s0, 4($s3) If $s3 has the value 100, this will copy the word at memory location 104 to the register $s0. $s0 <- Memory[104]

27. مثال : Store Word sw $s0, 4($s3) If $s3 has the value 100, this will copy the word in register $s0 to memory location 104. Memory[104] <- $s0

28. خواندن از حافظه lw R6, 0(R5) # R6 <= mem[0x14]

29. مثال • C code: A[8] = h + A[8];assume h in $s2 and base address of the array A in $s3 • MIPS code: lw $t0, 32($s3) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 32($s3) این نحوه آدرس دهی طراحی دستورالعمل ها را ساده کرده و به پیاده سازی آرایه ها و استراکچرها کمک میکند

30. دستورات دسترسی به حافظه

31. مثال • C code: z = w + y; • MIPS code: • la $t0, w # put address of w into $t0 • lw $s0, 0($t0) # put contents of w into $s0 • la $t1, y # put address of y into $t1 • lw $s1, 0($t1) # put contents of y into $s1 • add $s2, $s0, $s1 # add w + y, put result in $s2 • la $t2, z # put address of z into $t2 • sw $s2, 0($t2) # put contents of $s2 into z • la= load address , lw= load word , sw= store word • Must load address (la) to get the address of the memory location into a register • 0($t0)means go 0 bytes from the address specified by$t0

32. filled with zeros 1010101010101010 0000000000000000 انتقال بلادرنگ مقادیر 32 بیتی به رجیسترها • اینکار در دو مرحله با انتقال 16 بیت با ارزش و کم ارزش و ترکیب آنها صورت میپذیرد • 16 بیت با ارزش با دستور load upper immediate منتقل میشود. • lui $t0, 1010101010101010 • Then must get the lower order bits right, i.e.,ori $t0, $t0, 1010101010101010 1010101010101010 0000000000000000 0000000000000000 1010101010101010 ori 1010101010101010 1010101010101010

33. دستورات کنترلی این دستورات سیر اجرای برنامه را تغییر میدهند یعنی اینکه دستور بعدی که باید اجرا شود را تعیین میکنند. انواع مختلف دستورات کنترلی • conditional branches • jumps (unconditional branch) • procedure calls • procedure returns

34. دستورات انشعاب • دستورات انشعاب شرطی در MIPS عبارتند از: bne $t0, $t1, Label beq $t0, $t1, Label • Example: if (i==j) h = i + j;bne $s0, $s1, Label add $s3, $s0, $s1 Label: .... • Note the reversal of the condition from equality to inequality!

35. دستورات کنترلی • دستورات انشعاب غیرشرطی در MIPS عبارتند از: j labelUnconditional jump jr $t0“jump register”. Jump to the instruction specified in register $t0 • Example:if (i!=j) beq $s4, $s5, Lab1h=i+j; add $s3, $s4, $s5else j Lab2h=i-j; Lab1:sub $s3, $s4, $s5 Lab2: ...

36. دستورات کنترلی • اغلب در کنار دو دستور فوق از دستوردیگری نیز استفاده میشود: • slt and slti // set if less than (w/ and w/o an immediate) • slt $t0, $s1, $s2 • از این دستور به همراه دستورات قبلی استفاده میشود: if $s1 < $s2 then $t0 = 1 else $t0 = 0 • slti $at, $a0, 5 # $at = 1if $a0 < 5 • bne $at, $0, Label #Branch if $a0 < 5

37. op rs rt 16 bit address I نحوه محاسبه آدرس در دستورات کنترلی • PC-relative addressing • فرمت این دستورات از نوع I-Type است که در آن آدرس بصورت یک مقدار 16 بیتی نوشته میشود. این مقدار بصورتیک افست نسبت به مقدار رجیستر PC نوشته میشود. • bne $t4,$t5,Label Next instruction is at Label if $t4  $t5 • beq $t4,$t5,Label Next instruction is at Label if $t4 = $t5

38. J op 26 bit address نحوه محاسبه آدرس در دستورات کنترلی • j Label Next instruction is at Label • Pseudodirect addressing • در این دستور فقط از بیت های با ارزش PC استفاده میشود. 32-bit jump address = 4 Most Significant bits of PC concatenated with 26-bit word address (or 28- bit byte address) Address boundaries of 256 MB For larger distances: Jump register jr required.

39. op rs rt 24 9 80000 0 19 10 0 1000 80004 35 9 8 80008 5 8 21 8 19 32 0 19 20 0 80012 80000 80016 2 80020 ... Example • LOOP: mult $9, $19, $10 # R9 = R19*R10lw $8, 1000($9) # R8 = @(R9+1000) bne $8, $21, EXIT add $19, $19, $20 #i = i + jj LOOP EXIT: ...... • Assume LOOP is placed at location 80000

40. مثالی ازپیاده سازی LOOP • C code: • sum = 0; • for (i = 0; i < y; i++) • sum = sum + x; • MIPS: • Assume:x,y, andsumare in$s0$s1, and$s2respectively.Will use$t0forIand$t1for the constant1 add $s2, $zero, $zero # sum = 0 add $t0, $zero, $zero # i = 0 LoopBegin: slt $t2,$t0, $s1 Beq$t2, $zero,LoopEnd # is i < y ?? add $s2, $s2, $s0 # sum = sum + x add $t0, $t0, $t1 # i++ j LoopBegin LoopEnd:

41. صدا زدن توابع و بازگشت ازآن • از این دستور برای صدا زدن برنامه فرعی استفاده میشود: jal: jump & link instruction jal stores the return address in R31 and jumps to address in rt این دستور آدرس برگشت را در رجیستر R31 قرار میدهد و به آدرس ذکر شده دردستور انشعاب میکند. • برای بازگشت از برنامه فرعی از دستور زیر استفاده میشود: jr Reg[R31]

42. ذخیره رجیسترها در هنگام صدا زدن توابع تودرتو • بعلت محدودیت رجیسترها لازم است تا محتوی رجیسترهائی را که برای تابع مهم هستند قبل از صدا زدن تابع ذخیره نموده و بعد از بازگشت از تابع آنها را بازیابی نمود. • رجیسترها در پشته ذخیره خواهند شد. برای اینکه برنامه ها مجبور نباشند تمامی رجیسترها را ذخیره نمایند قاعده زیر رعایت میشود: • تابع صدا زننده رجیسترهای زیر را ذخیره و بازیابی میکند: t0-$t9 $a0-$a3 $v0-$v1 • تابع صدا شونده رجیسترهای زیر را ذخیره و بازیابی میکند: $s0-$s7 $ra

43. دستورت شیفت MIPS Shift Instructions • Format: op code/dest reg/src reg/shift amount sll $t4, $t0, 5 #shift left logical 5 bits (multiply by 32) sra $t5, $t0, 2 #shift right arithmetic 2 bits (divide by 4), #sign extended srl $v0, $t0, 1 #shift right logical 1 bit. Sign bit is now 0 srlv $v0, $t0, $t1 #shift right logical, $t1 says how many bits Type of shiftLeft Right Logical sll sllv srl srlv Arithmetic (none: use sll) sra srav Rotate rol ror

44. خلاصه دستورات • MIPS — loading words but addressing bytes — arithmetic on registers only • InstructionMeaningadd $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 – $s3lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1, 100($s2) Memory[$s2+100] = $s1

45. مثالی از یک برنامه C swap(int v[], int k); { int temp; temp = v[k] v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } swap: muli $2 , $5, 4 add $2 , $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 Explanation: index k : $5 base address of v: $4 address of v[k] is $4 + 4.$5

46. فرمت دستورات • فرمت و طول دستورات کامپیوتر پایه مانو ثابت و یکسان بود. در حالت کلی: • اگر اندازه کد تولید شده مهم باشد از دستوراتی با فرمت متفاوت استفاده میشود • اما اگر کارائی ( سرعت) مهم باشد از دستوراتی با طول یکسان استفاده میشود. Variable: Fixed: … …

47. فرمت دستورات MIPS • طول هر دستور 32 بیت است. • هر دستور به تعدادی Field تقسیم میشود. هر فیلد توضیحی در مورد دستور العمل ارائه میدهد. • از آنجائیکه دستورات مختلف نیازمند ارائه توضیحات مختلفی هستند لذا در MIPS سه نوع فرمت مختلف ( ولی با طول یکسان) برای دستورات در نظر گرفته شده است. • R-formatRegister instructions are used for register based ALU operations. • I-formatImmediate instructions, can be either Load/Store operations, Branch operations, or Immediate ALU operations. • J-format Jump instructions, devote all of the non-opcode space to a 26-bit jump destination field.

48. فرمت دستورات MIPS • 3 نوع فرمت مختلف بصورت زیر هستند: 6 5 5 16 opcode rs rd immediate I-Type Note the regularity of instruction encoding. This is important for implementing an efficient pipelined CPU. 6 5 5 5 5 6 opcode rs rt rd shamt func R-Type 6 26 opcode Offset added to PC J-Type

49. فیلد های مختلف دستورالعمل ها • op operation of the instruction • rs first register source operand • rt second register source operand • rd register destination operand • shamt shift amount • funct function (select type of ALU operation) • add = 32 • sub = 34

50. مثال • Example: add $t0, $s1, $s2 • registers have numbers, $t0=8, $s1=17, $s2=18 • Instruction Format:000000 10001 10010 01000 00000 100000op rs rt rd shamt funct