ΗΥ-225: Οργάνωση Υπολογιστών
Ανοιξη 2001
Τμ. Επ. Υπολογιστών
Πανεπιστήμιο Κρήτης
Σειρά Ασκήσεων 2:

Προσπελάσεις Μνήμης στον MIPS

Προθεσμία έως Δευτέρα 19 Φεβρουαρίου (βδομάδα 3)


Περίληψη ορισμένων Θεμάτων Προσπελάσεων Μνήμης στον MIPS

Ο MIPS, όπως και οι άλλοι επεξεργαστές τύπου RISC, δεν έχει εντολές που να κάνουν αριθμητικές πράξεις πάνω σε τελεστέους που βρίσκονται στη μνήμη --όλες οι αριθμητικές πράξεις του γίνονται πάνω σε καταχωρητές ή σταθερές ποσότητες (immediate constants). Ο μόνος τρόπος να επεξεργαστούμε τα περιεχόμενα της μνήμης είναι πρώτα να αντιγράψουμε μιά λέξη (32 bits), ή μία μισή λέξη (16 bits), ή ένα byte (8 bits) από τη μνήμη σ' ένα καταχωρητή της CPU, να την επεξεργαστούμε σε καταχωρητές, και τέλος να αντιγράψουμε το αποτέλεσμα από έναν καταχωρητή στη μνήμη. Οι λόγοι είναι (α) γιά απλότητα του hardware, και (β) γιατί δεν θα πετυχαίναμε ψηλότερη ταχύτητα αν μία μόνη εντολή έκανε και την αντιγραφή και την επεξεργασία, όπως θα μάθουμε στο μάθημα ΗΥ-425 (Αρχιτεκτονική Υπολογιστών) --όσοι το πάρετε.

Αντιγραφή μιάς 32-μπιτης λέξης από τη μνήμη σ' ένα καταχωρητή ("φόρτωμα στον καταχωρητή") γίνεται με την εντολή "lw $rd, imm($rx)" (load word), όπου $rd είναι ο καταχωρητής προορισμού, και $rx είναι ένας καταχωρητής που περιέχει μιά διεύθυνση μνήμης στην οποία προστίθεται ο σταθερός αριθμός imm και το αποτέλεσμα της πρόσθεσης είναι η τελική διεύθυνση μνήμης απ' όπου γίνεται η αντιγραφή στον $rd. Αντίστροφα, αντιγραφή από τον καταχωρητή $rs στη θέση μνήμης με διεύθυνση imm+$rx ("M[imm+$rx]"), δηλαδή "αποθήκευση", γίνεται με την εντολή "sw $rs, imm($rx)" (store word).

Οι διευθύνσεις μνήμης στον MIPS, όπως και σχεδόν σε όλους τους μοντέρνους επεξεργαστές, αναφέρονται σε Bytes στη μνήμη, δηλαδή ο MIPS είναι "Byte Addressable". Ετσι, μιά 32-μπιτη λέξη (π.χ. ένας ακέραιος) καταλαμβάνει 4 "θέσεις μνήμης" (4 bytes). Κατά συνέπεια, ένας πίνακας (array) μεγέθους 100 ακεραίων "πιάνει" 400 (συνεχόμενες) διευθύνσεις (θέσεις) στη μνήμη. Σ' ένα τέτοιο πίνακα, η διεύθυνση του κάθε ακέραιου διαφέρει από αυτήν του διπλανού του κατά 4. Εαν A0 είναι η διεύθυνση του "πρώτου" (μηδενικού) στοιχείου, a[0], ενός πίνακα ακεραίων της C, τότε το στοιχείο a[i] του πίνακα αυτού θα βρίσκεται στη διεύθυνση A0+4*i. Αν ο πίνακας αυτός ήταν πίνακας χαρακτήρων (char), τότε το στοιχείο a[i] θα ήταν στη διεύθυνση A0+i.

Τα 4 bytes που αποτελούν έναν ακέραιο έχουν διευθύνσεις που είναι συνεχόμενοι αριθμοί. Διεύθυνση του ακεραίου είναι η διεύθυνση εκείνου από τα 4 bytes του που έχει τη μικρότερη ("πρώτη") από τις 4 διευθύνσεις. Ο MIPS επιβάλει περιορισμούς ευθυγράμμισης (alignment) στις ποσότητες που προσπελαύνουν οι εντολές load και store στη μνήμη: μία ποσότητα μεγέθους N bytes επιβάλεται να έχει διεύθυνση που είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του N. Ετσι, όταν το N είναι δύναμη του 2, η διεύθυνση κάθε τέτοιας ποσότητας τελειώνει σ' ένα αντίστοιχο πλήθος μηδενικών, και η διεύθυνση των υπολοίπων bytes της ποσότητας διαφέρει μόνο σε αυτά τα λιγότερο σημαντικά (least significant) bits. Λόγω αυτού του περιορισμού, όταν η φυσική μνήμη έχει πλάτος N bytes, αρκεί μία μόνο προσπέλαση σε αυτήν γιά κάθε πρόσβαση σε ποσότητα μεγέθους N bytes.

Μέσα σ' έναν ακέραιο αριθμό, τα bits εκείνα που πολλαπλασιάζονται επί τις μεγαλύτερες δυνάμεις του 2 γιά να μας δώσουν την αριθμητική τιμή του ακεραίου λέγονται "περισσότερο σημαντικά" (MS - most significant) bits, και αυτά που πολλαπλασιάζονται επί τις μικρότερες δυνάμεις του 2 λέγονται "λιγότερο σημαντικά" (LS - least significant) bits. Το byte που περιέχει τα MS bits λέγεται MS byte, και εκείνο που περιέχει τα LS bits λέγεται LS byte. Όποτε σχεδιάζουμε έναν ακέραιο στο χαρτί, οριζόντια, θα βάζουμε πάντα τα MS bits και byte αριστερά, και τα LS bits και byte δεξιά, δηλαδή όπως και στους δεκαδικούς αριθμούς (αυτό αφορά μόνο τους ανθρώπους, και όχι τους υπολογιστές...).

Το "endian-ness" του υπολογιστή, δηλαδή το αν είναι big-endian ή little-endian, δεν μας επηρεάζει όταν πάντα γράφουμε και διαβάζουμε την κάθε ποσότητα με τον ίδιο τύπο (γράφω string και διαβάζω string, ή γράφω integer και διαβάζω integer), ενώ μας επηρεάζει όταν αλλάζουμε τύπο μεταξύ εγγραφής και ανάγνωσης (γράφω string και διαβάζω integer, ή γράφω integer και διαβάζω string). Επίσης το endian-ness του υπολογιστή μας επηρεάζει όταν μεταφέρουμε δυαδικά δεδομένα (όχι κείμενο) μέσω δικτύου μεταξύ υπολογιστών με διαφορετικό endian-ness, και δεν πούμε στο πρόγραμμα μεταφοράς ότι αυτά που μεταφέρουμε δεν είναι κείμενο.

Ασκηση 2.1: Πίνακας Ακεραίων

Γράψτε ένα πρόγραμμα σε Assembly του MIPS που να διαβάζει 10 ακεραίους από την κονσόλα, να τους αποθηκεύει σ' ένα πίνακα (array) στη μνήμη, και στη συνέχεια να τυπώνει τα διπλάσιά τους και με την αντίστροφη σειρά. Παραδώστε σε ηλεκτρονική μορφή τον κώδικά σας κι ένα στιγμιότυπο (screen-dump) από μιά επιτυχημένη εκτέλεσή του.

Ασκηση 2.2: Υπολογιστές Big-Endian και Little-Endian

  1. Χρησιμοποιήστε τον SPIM γιά να βρείτε τον δυαδικό (δεκαεξαδικό) κώδικα εσωτερικής αναπαράστασης (κώδικα ASCII) των χαρακτήρων του Λατινικού αλφαβήτου, a, b, ..., z, A, ..., Z, και των αριθμητικών χαρακτήρων, 0, 1, ..., 9. Γιά να το πετύχετε, ορίστε σταθερές τύπου string όπως στην πρώτη σειρά ασκήσεων, και στη συνέχεια μπείτε στον SPIM και μελετήστε τα περιεχόμενα της μνήμης δεδομένων στο παράθυρο "Data Segments". Δώστε τις διαπιστώσεις σας σ' έναν πίνακα σε χαρτί, με 3 στήλες: χαρακτήρας, κώδικας ASCII στο δεκαεξαδικό, κώδικας ASCII στο δυαδικό.
  2. Εστω ότι αποθηκεύουμε το null-terminated string "abc" σε μία λέξη ενός 32-μπιτου υπολογιστή, και στη συνέχεια διαβάζουμε αυτή τη λέξη σαν να είναι (32-μπιτος) ακέραιος. Υπολογίστε με αριθμητικές πράξεις ποιόν ακέραιο θα διαβάσουμε (α) σε μιά μηχανή big-endian, και (β) σε μιά μηχανή little-endian. Δώστε την απάντησή σας, μαζί με τις αριθμητικές πράξεις που κάνατε, σε χαρτί (στο δεκαδικό).
  3. Επαληθεύστε την απάντησή σας μ' ένα μικρό πρόγραμμα στον SPIM: Ζητήστε από τον Assembler να βάλει το string στη μνήμη δεδομένων, και μέσα από το πρόγραμμά σας αντιγράψτε εκείνη τη λέξη (ολόκληρη!) σ' ένα καταχωρητή και ζητήστε να τυπωθεί (μ' ένα κάλεσμα συστήματος) σαν ακέραιος. Ο SPIM συμπεριφέρεται σαν big-endian ή σαν little-endian ανάλογα σε ποιόν υπολογιστή τρέχει! Σε τι υπολογιστή τον τρέξατε τον SPIM; Τι έβγαλε; Αν τον τρέξτε σε άλλο τύπο υπολογιστή, με επεξεργαστή άλλης εταιρείας, θα βγάλει άλλα; Παραδώστε το πρόγραμμά σας (πηγαίος κώδικας) και τα συμπεράσματά σας σε χαρτί.


Up to the Home Page of CS-225
 
© copyright University of Crete, Greece.
Last updated: 09 Feb. 2001, by M. Katevenis.