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マイクロプロセッサ応用 （３）

工学部講義. マイクロプロセッサ応用 （３）. はじめに 講義概要 アドレス指定方式 サブルーチン. 坂井　修一 東京大学 大学院 情報理工学系研究科 電子情報学専攻 東京大学 工学部 電気工学科. はじめに. 本講義の目的 マイクロプロセッサのハード・ソフトの基本を実践的に学習する 前半：講義 坂井 （ソフトの基本：機械語プログラミング） 三田先生（ハードの基本） 後半：実習 時間・場所： 火曜日 8 :30 - 10:00、3-31 ホームページ （坂井分：ダウンロード可能）

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マイクロプロセッサ応用 （３）

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Presentation Transcript

  1. 工学部講義 マイクロプロセッサ応用（３） • はじめに • 講義概要 • アドレス指定方式 • サブルーチン 坂井　修一 東京大学 大学院 情報理工学系研究科 電子情報学専攻 東京大学 工学部 電気工学科

  2. はじめに • 本講義の目的 • マイクロプロセッサのハード・ソフトの基本を実践的に学習する • 前半：講義 • 坂井（ソフトの基本：機械語プログラミング） • 三田先生（ハードの基本） • 後半：実習 • 時間・場所：火曜日 8:30 - 10:00、3-31 • ホームページ（坂井分：ダウンロード可能） • url: http://www.mtl.t.u-tokyo.ac.jp/~sakai/micro/ • 教科書・参考書 • Patterson and Hennessy: Computer Organization and Design:The Hardware/Software Interface 2nd Ed. （邦訳　「コンピュータの構成と設計」（第２版）日経ＢＰ） 東大・坂井

  3. 講義の概要と予定（坂井分） • １．マイクロプロセッサのモデルと命令 • ２．命令とプログラム • ３．アドレス指定方式 • アドレス指定方式、サブルーチン • ４．入出力、例外処理等 • ５．課題出題 • ２月１５日：　坂井分課題レポート提出期限（仮） 東大・坂井

  4. ３．アドレス指定方式 • オペランド(operand) • 命令の対象 • ソースオペランド：　被演算データ • デスティネーションオペランド：結果データ • アドレス指定方式(addressing) • オペランドを特定する方式のこと • アドレス指定方式の大別 • 即値：　「アドレス」でなく「値」でオペランドを指定 • アドレス指定 • レジスタアドレス指定：直接アドレッシング（のみ） • rs, rt, rd：命令のフィールドがレジスタアドレスを表す • メモリアドレス指定：　次のスライド 東大・坂井

  5. 3.1　メモリアドレス指定 • RISCとCISC • RISC：　メモリアドレス指定方式の種類は少ない • load/store以外には、メモリの中身をオペランドとすることはない • load/storeのアドレス指定 • ベース相対モード: address = rs + dpl • インデクス相対モード: address = rs + rt (+dplはないのが普通) • ＰＣ相対モード：address=pc+dpl　（分岐命令で用いる） • CISC: メモリアドレス指定方式の種類が多い • 一般の演算命令がメモリの中身をオペランドとすることができる • アドレス指定 • 直接モード: address = dpl • レジスタ間接モード：address = rs • ベース相対モード：　address = rs + dpl • インデクス相対モード：　address = rs+rt+dpl • スケールインデクスモード：　address = rs+rt*scl+dpl • メモリ間接モード：address= (rs)+dpl • 自動インクリメントモード：address = rs++ + dpl • etc. 東大・坂井

  6. rs rs rs rs rs rs dpl dpl dpl dpl dpl dpl OP OP OP OP OP OP rt rt rt rt rt rt アドレス指定方式の図解 ＋ PC (a)直接モード (d)ＰＣ相対モード rt ＋ * SCL ＋ rs rs (b)ベース相対モード (e)スケールインデクスモード rt ＋ rs rs ＋ (c)インデクス相対モード (b)メモリ間接モード 東大・坂井

  7. 3.2　各アドレス指定方式の使い方 • ベース相対モード • ベース相対モードの用途 • ある番地A以後に連続してデータが格納されているときの各データへのアクセス • Aをベースアドレスレジスタに入れておいて、各データはここからの変位（相対番地）でアクセスする Base DW 6 DUP ＃(アドレスBaseを定義する疑似命令） add r2 r0 Base ; r2 <- Base lw r3 0(r2) ; r3 <- x lw r4 4(r2) ; r4 <- y add r3 r3 r4 ; r3 <- r3 + r4 sw r3 8(r2) ; z <- r3 lw r3 12(r2) ; r3 <- u lw r4 16(r2) ; r4 <- v sub r3 r3 r4 ; r3 <- r3 - r4 sw r3 20(r2) ; w <- r3 メモリ ベース アドレス 東大・坂井

  8. （注）疑似命令 • 機械語の命令に対応する命令ではなく、メモリ番地の定義を変数で表すため等に使う見かけ上の命令 • X DW 　X番地に１語データがある • ＤＷは一語の領域の定義(Define Word) • Ｙ　ＤＷ　１０　DUP　Ｙ番地から１０語データがある • D UPはduplicate （重複）の略 東大・坂井

  9. 各アドレス指定方式の使い方（続き） • インデクス相対モード • インデクス相対モードの用途 • 配列データへのアクセスなど • 領域の先頭番地Aaをベースアドレスレジスタ、配列の先頭番地（Aからの相対番地）Amをインデクスレジスタに入れておいて、配列要素はここからの変位でアクセスする メモリ ベース アドレス Base DW 2 DUP A DW 10 DUP B DW 10 DUP add r2 r0 Base ; r2 <- Base mul r3 r1 4 ; r1 = Iとする lw r4 8(r2, r3) ; r4 <- A[I] lw r5 48(r2, r3) ; r5 <- B[I] add r4 r4 r5 ; r4 <- A[I]+B[I] 東大・坂井

  10. 3.3　RISC型アドレス指定方式の拡張性 • RISC型にないモードの実現 • 直接モード • 0レジスタ：値が恒常的に０のレジスタ • 例．MIPS: r0=0 • ｒs=０レジスタとすれば、直接モードになる • インデクス相対モード • ベース＋インデクスの値を別のレジスタに入れておけばよい • 潤沢なレジスタ資源を活用する！ • 他のモード • 複数の命令に展開する • スケール：　アドレスの入っているレジスタの値を定数倍 • RISC型は、アドレス指定方式の種類が少なく、複雑なアドレス指定は命令の組合せで実現する。 • よく使うアドレス指定だけを用意し、単純化の利点を活かして高速化することで、全体の処理を高速化する 東大・坂井

  11. 3.4　アドレス空間 • セグメント化アドレス方式 • 語長１６ビット以下の計算機 • 「語　＝　アドレス」では、アドレス空間が狭い(64KB) →　セグメントレジスタを用意し、その中身と１６ビットアドレスと足しあわせる • ８０８６：論理空間 １ＭB • ８０２８６： 仮想記憶　→　論理空間 1 GB • ８０３８６：　３２ビット化　→　論理空間　６４ＴＢ • セグメント　４ＧＢ • ３２ビット全空間をセグメントを切り替えずにアクセスできる　（リニアアドレス） • 仮想記憶、記憶保護 （田中英彦先生講義） 東大・坂井

  12. ４．サブルーチン • サブルーチン • プログラムの中であるまとまった処理をする部分 • Cの関数、Pascalのprocedure、FORTRANのsubroutine • 引数と返値をもつ • 一般的な手順（機械語レベル） • レジスタ値の待避 • 戻り番地（次の命令番地）の待避 • サブルーチンの先頭番地へのジャンプ • サブルーチン本体の実行 • 戻り番地へのジャンプ • レジスタ値の復帰 • もとの命令列の実行再開 本方式は、レジスタ値を呼び出し側が待避するので、 Caller Save方式と呼ばれる 東大・坂井

  13. ４．１　サブルーチンの実現 • スタックを用いる • スタック（Stack)：　Last In First Out (LIFO)型のデータ構造 • 通常はメモリの領域を使う • スタックポインタ(SP): スタックの一番上を指すレジスタ • サブルーチンを呼び出すときは、待避するデータをスタックに積み上げる(PUSH） • サブルーチンから復帰するときは、待避したデータをスタックから読み出す(POP) New SP Ｐ →Ｑ → Ｒの順で サブルーチンが呼ばれた とき PUSH POP Ｑ Old SP Ｐ SP: Stack Pointer スタック 東大・坂井

  14. ４．２　サブルーチンのプログラム sw r1 0(sp) 　　　;　　　レジスタ値の待避（必要なだけ）始め sw r2 4(sp) ....... sw rk 4k(sp) 　　　;　　　レジスタ値の待避終わり add sp 4k+4 call address sub sp 4k+4 lw r1 0(sp) 　　　;　　　レジスタ値の復帰始め lw r2 4(sp) ..... lw rk 4k(sp) 　　　;　　　レジスタ値の復帰終わり もとの仕事の続き ............. body of subroutine ...... ...... ret call: 戻り番地をスタックに積んで、addressへ 　　ジャンプ ret:　スタックから戻り番地をPCに戻す address: 注.　戻り番地の待避は特定のレジスタ上にしてもよい。 この場合、ひとつ前の戻り番地をスタックに積む 東大・坂井

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