計算機アーキテクチャ今日の授業の目的...

計算機アーキテクチャ

2014年 7月14日

電気情報工学科田島孝治

第14回計算機アーキテクチャ 1

第14回サブルーチンの実現/PCSpimの使い方

授業スケジュール（前期）

※5/5はこどもの日、7/21は海の日のため休講

※授業変更：6/23 1時限→6/20 3時限

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第14回計算機アーキテクチャ

回日付タイトル

１ 4/7 コンピュータ技術の歴史とコンピュータアーキテクチャ

２ 4/14 ノイマン型コンピュータ

３ 4/21 コンピュータのハードウェア

４ 4/28 数と文字の表現

５ 5/12 固定小数点数と浮動小数点表現

６ 5/19 計算アーキテクチャ（ARU）

７ 5/26 計算装置のハードウェア実装

８ 6/2 文字コード

９ 6/11 中間試験（9：00-9：50）

回日付タイトル

10 6/16 主記憶装置とレジスタ

11 6/20 命令実行の流れ

12 6/30 命令形式とアセンブリ言語

13 7/7 命令セットとアドレッシング

14 7/14 サブルーチンの実現

15 7/28 PCSpimによるアセンブリ言語プログラム

8/4 期末試験（日程はほぼ確定）

16 9/29? フォローアップ（日程は仮）

今日の授業の目的

プログラムの実行順を制御する命令の使い方を学ぶ

R形式、I形式につづく最後の形式であるA形式のバイナリの表現をできるようにする

PCSpimの基本的な使い方（プログラムの記述と実行）について学ぶ


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分岐命令について理解する J形式の命令ついて理解を深める

PCSpimによるプログラムの基礎を学ぶ

条件分岐命令

ジャンプ命令

メモリ上の特定の番地にプログラムの処理を移す

無条件でジャンプするための命令

リンク付きジャンプ命令

命令実行後、元の位置に戻れるようにジャンプする

関数呼び出しに使う

命令の形式：J形式

命令長はどの形式でも変わらない


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op（6bit）アドレス（26bit）

分岐操作（条件分岐、ジャンプ等）

アドレス

具体的な命令の例（J形式）

J形式の命令


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演算命令命令コード使用例意味

ジャンプ j j label 指定した場所へ処理を移す

リンク付きジャンプ jal jal label

現在の命令の次の命令番地を$raに書き込んでから指定した場所(label)へ処理を移す

J形式の命令は実はこれしかありません

jal命令はjr命令（レジスタを指定してジャンプ）と組み合わせて使います

ビット列の作り方（J形式）


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targetはどんなバイナリデータになるの？

J形式命令のアドレッシング

（疑似）直接アドレッシング

命令番地を直接記入する

なぜ疑似？

J形式のアドレス記入可能ビット数：26 bit

システムのメモリアドレスビット数：32 bit

6ビット分は指定できない！

6ビットは現在のPCの値等を使います


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具体的な例 8

メモリ番地メモリ内容意味

0x0040002c 0x08100010 j end

・・・・・・・・・・

0x00400040 0x00400040 jr $ra end:

0 8 1 0 0 0 1 0

0000 1000 0001 0000 0000 0000 0001 0000 op target

ジャンプ先のアドレス

target

0 0 4 0 0 0 4 0

0000 1000 0001 0000 0000 0000 0100 0000

PCの上位4bit 必ず0

例題

次のjal命令をビット列に直せ


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メモリ番地意味

0x0040002c jal printf

・・・・・・・

0x0040003c ・・・・ printf:

op target

サブルーチンの作り方

サブルーチンとすべき場所にラベルを付ける

jal命令をつかってサブルーチンを呼び出す

jr $ra 命令を使って元にもどる


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main: li $s1,2 li $s2,5 add $s0,$s1,$s2 jal func # call sub fuction j end func: li $s0,5 li $t0,2 add $t1,$s0,$t0 jr $ra # return

サブルーチンコールの注意点

書き換えてはいけないレジスタがある

レジスタを一度上書きすると元にもとに戻せない

$raを書き換えると呼び出し元に戻れない

MIPSのルールで保存すべきレジスタがある


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メモリ上に一部のレジスタの値を退避

MIPSのルールで決まった保護すべきレジスタ

$ra

どうやって値を守る？

値の退避と復元方法

スタックポインタを使うと簡単


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#Push addi $sp, $sp, -8 # Decrement stack pointer by 8 sw $ra, 0($sp) # Save $ra to stack sw $s0, 4($sp) #Call sub function jal func #Pop lw $s0, 4($sp) lw $ra, 0($sp) addi $sp, $sp, 8 # Increment stack pointer by 8

PC Spimの使い方

第14回計算機アーキテクチャ 13

簡単なプログラムを実行してみよう

PCSpimの起動

配布したポータブル版のpcspim.exeを実行

初回は設定をするか聞かれる

YESを選択

設定画面

基本的にはそのままでOK

Exceptionを指定

Browse(日本語の場合は「参照」)ボタンを押してから、exceptions.sファイルを選択する

あとはプログラムソースを開くだけ第14回計算機アーキテクチャ

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加算の実験ファイルの実行

起動完了後「add.asm」ファイルを開きましょう

F5キーで実行開始です

最初のPCの値を聞かれます

そのままOKを押せば大丈夫です


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PCSpimの画面の意味


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レジスタの状態

メモリの状態

システムメッセージ

レジスタの状態について

表現形式はすべて同じ

レジスタの名前 = 現在のレジスタの値

前半は特殊レジスタ

後半は汎用レジスタ（General Registers）


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メモリの状態について

メモリは４列に分かれています

１列目：メモリ番地

２列目：メモリの内容（バイナリデータ）

３列目：メモリの内容（少し解釈したもの）

４列目：元のプログラム


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① ② ③ ④

ステップ実行

もう少し細かく実行の様子が知りたいときに利用

１行づつプログラムを実行できます

ステップ実行の方法

ファイルを読み込みます

一度実行してしまった場合は再度読み直しが必要

F10キーを押すと１行づつ実行されます

どこからが自分の作ったプログラム？

jal main までは自動で作られた部分です

前のページをよく見ながら確認してください


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実行してみよう

加算プログラムをステップ実行し命令の実行によるレジスタの変化を確認せよ

加算のプログラムは配布します


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プログラムの作り方

メモ帳などのテキストエディタがあれば作成可能

プログラム以外にも少し記入しなければならない内容がある

基本的なフォーマット


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# Data Segment .data # Text Setgment .text .globl main main: li $s1,2 (以下はプログラムを書いていく)

データ記入部

プログラム記入部

演習課題

先々週の結果を確認しよう

プログラムを入力し、動作とバイナリ変換結果を見る


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プログラム op rs rt rd shamt funct

add $t3 $s1 $s2

sra $t1 $s1 3

sub $t2 $t1 $s3

add $s3 $t2 $t3

検討課題

次のC言語で書かれたプログラムをMIPS形式に直し動作を確認せよ


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c = a + b; d = d + a; ans = c – d + a;

c = a * b; a = a + b; ans = c – (a + b) * b;

レジスタには何を割り当ててもかまわない

（１）

（２）

最終課題

次のプログラムを作成せよ

等比行列の作成

1, 2, 4, 8, …

レジスタを使ってもメモリを使ってもよい

適当なところで止めること

自分の生年、月、日の和を求めよ

積や商なども適当に試してみること

よく出てくる疑問

printfはできないの？

関数のテストは？第14回計算機アーキテクチャ

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来週syscall命令など特殊な形式を紹介します

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