ΗΥ-225: Οργάνωση Υπολογιστών
Ανοιξη 2002
Τμ. Επ. Υπολογιστών
Πανεπιστήμιο Κρήτης

Σειρά Ασκήσεων 1:
Γνωριμία με τον Προσομοιωτή SPIM

Προθεσμία έως Δευτέρα 18 Φεβρουαρίου (βδομάδα 2)

Βασική Λειτουργία του Υπολογιστή:

Οι υπολογιστές αποτελούνται από:

Μιά απόφαση πρωταρχικής σημασίας στην οργάνωση των υπολογιστών είναι ότι στη μνήμη αποθηκεύουμε και τα δεδομένα (αριθμούς, πληροφορίες), και τις "εντολές" (instructions) --τις οδηγίες δηλαδή πρός τον υπολογιστή γιά το τι είδους πράξεις και επεξεργασίες αυτός πρέπει να κάνει πάνω στα δεδομένα. Με το να αποθηκεύονται και τα δεδομένα και οι εντολές στην ίδια μνήμη, κωδικοποιημένα και τα δύο με παρόμοιους τρόπους (σαν δυαδικές λέξεις π.χ. των 32 ή 64 bits καθεμία), ανοίγει ο δρόμος στο να μπορεί να δει και να επεξεργαστεί ο υπολογιστής τις ίδιες του τις εντολές σαν δεδομένα! (Ο μεταφραστής (compiler) είναι το πρώτο βασικό πρόγραμμα υπολογιστή που γεννά εντολές υπολογιστή).

Ο υπολογιστής λειτουργεί με τον εξής βασικό επαναληπτικό τρόπο. Ο επεξεργαστής διαβάζει μιάν εντολή από τη μνήμη. Στη συνέχεια την αποκωδικοποιεί γιά να καταλάβει τι λέει, και κάνει τις δουλειές που αυτή λέει --δηλαδή την "εκτελεί". Οι δουλειές αυτές είναι συνήθως απλές, όπως π.χ. μεταφορά δεδομένων από ή προς τη μνήμη, ή από ή προς περιφερειακές συσκευές, ή αριθμητικές πράξεις πάνω σε δεδομένα, ή αποφάσεις "αλλαγής πορείας". Μετά, μόλις τελειώσει η εκτέλεση της εντολής, ο επεξεργαστής διαβάζει από τη μνήμη και εκτελεί την "επόμενη" εντολή, και ούτω καθ' εξής επ' αόριστο. Η "επόμενη" εντολή συνήθως είναι η εντολή που βρίσκεται αποθηκευμένη στην επόμενη λέξη μνήμης, εκτός αν η εκτέλεση της προηγούμενης εντολής πεί στον επεξεργαστή να "αλλάξει πορεία"....

Γιά να ξέρει ο επεξεργαστής ποιά είναι η "επόμενη" εντολή που πρέπει να διαβάσει και εκτελέσει, υπάρχει μέσα του ένας ειδικός καταχωρητής, ο "Μετρητής Προγράμματος" (PC - program counter) --ίσως μιά σωστότερη ονομασία να ήταν "δείκτης προγράμματος" (program pointer), αλλά έχει μείνει από παλιά η ονομασία "PC". Στο τέλος της εκτέλεσης μιάς εντολής, ο PC περιέχει τη διεύθυνση μνήμης της επόμενης εντολής που πρέπει να διαβαστεί από τη μνήμη και να εκτελεστεί. Αν φανταστούμε τη μνήμη σαν έναν μεγάλο πίνακα (array), M[ ], τότε η "διεύθυνση μνήμης" είναι ο δείκτης (index), i, που μας λέει να διαβάσουμε την επόμενη εντολή από το M[ i ]. Με όρους της γλώσσας C, η διεύθυνση μνήμης της επόμενης εντολής είναι ένας pointer στην επόμενη εντολή.

Γλώσσες Μηχανής:

Οι επεξεργαστές καταλαβαίνουν και εκτελούν εντολές από ένα ρεπερτόριο πολύ μικρότερο και απλούστερο από τις γλώσσες υψηλού επιπέδου (HLL --High Level Languages). Οι εντολές που δέχεται και εκτελεί το hardware είναι αναγκαστικά κωδικοποιημένες σαν δυαδικά σύμβολα, και λέγονται "Γλώσσα Μηχανής" (Machine Language). Κάθε οικογένεια επεξεργαστών που είναι μεταξύ τους "binary compatible" έχει την ίδια γλώσσα μηχανής, που είναι διαφορετική από τη γλώσσα μηχανής άλλων οικογενειών. Ενα δημοφιλές σήμερα στυλ γλωσσών μηχανής ("αρχιτεκτονικών") είναι αυτές που έχουν σχετικά λίγες και απλές μόνο εντολές, και που γι' αυτό περιγράφονται σαν "Υπολογιστές Ελαττωμένου Ρεπερτόριου Εντολών" (RISC --Reduced Instruction Set Computers). Ενα υποσύνολο μιάς τέτοιας γλώσσας μηχανής θα χρησιμοποιήσουμε σαν παράδειγμα σε αυτό το μάθημα --της γλώσσας μηχανής του επεξεργαστή MIPS. Αλλες γλώσσες μηχανής στυλ RISC είναι αυτές των SPARC, Alpha, και PowerPC. Η σειρά x86 και Pentium της Intel έχει πιό πολύπλοκη γλώσσα μηχανής.

Κάθε εντολή γλώσσας μηχανής αποτελείται από έναν κώδικα πράξης (opcode --operation code), και από τελεστέους (operands) που περιγράφουν πάνω σε τι θα γίνει η πράξη. Οι τελεστέοι των εντολών αριθμητικών πράξεων του MIPS είναι πάντα καταχωρητές γενικού σκοπού (registers) του επεξεργαστή, ή σταθερές ποσότητες, αλλά όχι θέσεις μνήμης. Η CPU του MIPS έχει 32 καταχωρητές των 32 bits καθένας --32 bits είναι το μέγεθος λέξης (word) του MIPS. Πιό σύγχρονα μοντέλα επεξεργαστών, σήμερα, έχουν μέγεθος λέξης 64 bits. Οι εντολές αριθμητικών πράξεων του MIPS έχουν πάντα τρείς (3) τελεστέους, γιά λόγους ομοιομορφίας. Η ομοιομορφία μεταφράζεται σε απλότητα του hardware, πράγμα που ευνοεί την υψηλότερη ταχύτητα (1η αρχή σχεδίασης --σελ. 108 βιβλίου).

Η Γλώσσα Assembly του MIPS:

Γιά να γίνει η γλώσσα μηχανής λίγο πιό φιλική προς τον άνθρωπο, χρησιμοποιούμε ένα συμβολικό όνομα γιά κάθε επιτρεπτό opcode, ένα δεκαδικό ή δεκαεξαδικό αριθμό με μερικά απλά σύμβολα γιά κάθε τελεστέο, και γράφουμε αυτά τα στοιχεία της κάθε εντολής σε μία χωριστή γραμμή. Αυτή είναι η γλώσσα "Assembly", η οποία μπορεί να μεταφραστεί σε γλώσσα μηχανής από ένα σχετικά απλό πρόγραμμα υπολογιστή --τον λεγόμενο "Assembler". Οι γλώσσες υψηλού επιπέδου (HLL) (όπως η C) μεταφράζονται σε Assembly από ένα σημαντικά πολυπλοκότερο πρόγραμμα, τον Compiler. Γιά έναν υπολογισμό συνθετότερης αριθμητικής έκφρασης, δείτε το παράδειγμα στη σελ. 110 του βιβλίου. Εκτός από τα ονόματα $0, $1, ..., $31 γιά τους 32 καταχωρητές του MIPS, χρησιμοποιούνται και τα λίγο πιό αφηρημένα ονόματα $s0, $s1, ..., $t0, $t1, ... ανάλογα με την κατηγορία χρήσης που συνήθως επιφυλάσσει σε καθένα τους ο compiler, όπως θα δούμε αργότερα.

Γιά να εκτελεστεί ένα πρόγραμμα, οι εντολές του γράφονται στην κεντρική μνήμη η μία "κάτω" από την άλλη, δηλαδή σε συνεχόμενες θέσεις (διευθύνσεις) μνήμης. Μετά την ανάγνωση και εκτέλεση μιάς εντολής, ο επεξεργαστής αυξάνει τον PC κατά το μέγεθος της εντολής που εκτελέστηκε, οπότε αυτός (ο PC) δείχνει στην επόμενη (την "από κάτω") εντολή. Η σειριακή αυτή εκτέλεση εντολών διακόπτεται όταν εκτελείται μιά εντολή μεταφοράς ελέγχου (CTI - control transfer instruction). Τέτοιες, όπως θα δούμε, είναι, μεταξύ άλλων, οι διακλαδώσεις (branch) και τα άλματα (jump). Η εντολή "j label" ("jump" to label, ή παλαιότερα "goto" label) κάνει ώστε η επόμενη εντολή που θα εκτελεστεί να είναι η εντολή στη διεύθυνση μνήμης "label", αντί να είναι η "από κάτω" εντολή. Με άλλα λόγια, η εντολή "j label" φορτώνει τη διεύθυνση "label" στον καταχωρητή PC.

Ο Προσομοιωτής SPIM:

Προγράμματα γραμμένα σε γλώσσα Assembly του MIPS μπορεί να τα δοκιμάσει κανείς και να παρακολουθήσει πώς τρέχουν χρησιμοποιώντας τον "προσομοιωτή" SPIM, γραμμένο από τον James Larus στο Πανεπιστήμιο Wisconsin-Madison, http://www.cs.wisc.edu/~larus/spim.html. Γιά να τρέξετε τον προσομοιωτή SPIM:

Κώδικας Γνωριμίας με τον SPIM:

Αντικείμενο της παρούσας άσκησης είναι να γνωριστείτε με τη χρήση του SPIM (και με τη γλώσσα Assembly του MIPS). Γιά το σκοπό αυτό, μελετήστε και αντιγράψτε σε ένα αρχείο (π.χ. "ask1.s") τον παρακάτω κώδικα --ή διάφορες παραλλαγές του που προτιμάτε-- και τρέξτε τον στον SPIM.
     .text              # program memory:
     .globl main            # label "main" must be global;
                            # bootstrap trap.handler calls main.
main:
                            # registers:  $16: i; $17: j;
     addi   $16, $0,  10    # init. i=10; ($0==0 always)
     addi   $17, $0,  64    # init. j=64; (64 decimal = 40 hex)
     add    $18, $16, $17   # $18 <- i+j = 74 dec = 4a hex
     add    $18, $18, $18   # $18 <- 74+74=148 dec = 94 hex
     add    $18, $18, $17   # $18 <-148+64=212 dec = d4 hex
     addi   $17, $17, -1    # j <- j-1 = 63 dec = 3f hex
     sub    $17, $17, $16   # j <- j-i = 53 dec = 35 hex
     j      main            # jump back to main (infinite loop)

Ασκήση Τρεξίματος του SPIM:

Ξεκινήστε το xspim με τον τρόπο που είπαμε πιό πάνω. Στο τρίτο (δηλ. μεσαίο) παράθυρο του SPIM βλέπετε τα περιεχόμενα της μνήμης του υπο προσομοίωση υπολογιστή, ξεκινώντας από τη διεύθυνση 00400000 δεκαεξαδικό. Πρόκειται γιά την περιοχή εκείνη της μνήμης (text segments) όπου ο SPIM αποθηκεύει τις εκτελέσιμες εντολές, σε αντίθεση με τα δεδομένα στη μνήμη (data segments), που φαίνονται στο τέταρτο παράθυρο --εμείς δεν θα ασχοληθούμε με δεδομένα στη μνήμη σε αυτή την άσκηση. Φαρδύνετε αρκετά το παράθυρο του SPIM γιά να μπορείτε να βλέπετε ολόκληρες τις εντολές, μαζί με τα σχόλια που τις συνοδεύουν (επίσης, μεγαλώστε κατακόρυφα το τρίτο παράθυρο, κουνόντας το μικρό τετραγωνάκι κάτω δεξιά του).

Στις διευθύνσεις 00400000 έως 0040001c (δεκαεξαδικό) υπάρχουν 8 "παράξενες" εντολές που προέρχονται από το αρχείο trap.handler (η διεύθυνση της κάθε εντολής διαφέρει από αυτήν της προηγούμενης κατά 4 διότι οι εντολές του MIPS έχουν μέγεθος 4 bytes καθεμία). Δεν χρειάζεται να καταλάβετε τι κάνουν αυτές οι εντολές --αρκεί να ξέρετε ότι ρόλος τους είναι να καλέσουν τη διαδικασία (procedure) "main", περνόντας της σαν παραμέτρους τα γνωστά από την C "argc", "argv", και "envp", και όταν η διαδικασία αυτή επιστρέψει να καλέσουν τη διαδικασία "exit" του λειτουργικού συστήματος (system call). Παρακάτω στο ίδιο παράθυρο, ξεκινώντας από τη διεύθυνση 80000080 (δεκαεξαδικό), υπάρχει ο κώδικας του υπό προσομοίωση πυρήνα (kernel) του λειτουργικού συστήματος, που επίσης προέρχεται από το αρχείο trap.handler και που επίσης δεν χρειάζεται να καταλάβετε τι κάνει....

Χρησιμοποιήστε το κουμπί "load" στο δεύτερο παράθυρο του SPIM γιά να ζητήστε να φορτωθεί το αρχείο με το παραπάνω πρόγραμμα που γράψατε (π.χ. "ask1.s"). Εναλλακτικά, μπορείτε να καλέσετε τον SPIM λέγοντας "xspim -file ask1.s". Οι εντολές του προγράμματός σας προστίθενται στη μνήμη (text segments), ξεκινώντας από τη διεύθυνση 00400020 (δεκαεξαδικό), δηλαδή αμέσως κάτω από τις 8 "παράξενες" εντολές (00400000 έως 0040001c) που καλούν το "main".

Στο πρώτο παράθυρο του SPIM, πάνω αριστερά, φαίνεται το περιεχόμενο του μετρητή προγράμματος (PC). Όποτε ο SPIM είναι σταματημένος, δηλαδή δεν "τρέχει" το πρόγραμμά μας αλλά περιμένει, το περιεχόμενο του PC είναι η διεύθυνση της επόμενης εντολής που πρόκειται να εκτελεστεί μόλις ξαναξεκινήσουμε την προσομοίωση (δηλαδή η εντολή αυτή δεν έχει "εκτελεστεί" ακόμα). Ο SPIM αρχικοποιεί τον PC σε 00400000 (δεκαεξαδικό), δηλαδή στην αρχή των 8 "παράξενων" εντολών που καλούν το "main".

Χρησιμοποιήστε το κουμπί "step" στο δεύτερο παράθυρο του SPIM γιά να ζητήστε "single-stepping" του προγράμματός σας, δηλαδή να εκτελούνται μιά-μιά οι εντολές και να τις βλέπετε. Κάθε φορά που πατάτε το κουμπί "step" μέσα στο υποπαράθυρο "prompt", ο SPIM προσομοιώνει την εκτέλεση μίας ακόμα εντολής. Παρακολουθήστε ότι μετά από κάθε τέτοια προσομοίωση ο PC έχει αυξηθεί κατά 4 (επειδή οι εντολές του MIPS έχουν μέγεθος 4 bytes καθεμία), δείχνοντας τώρα στην επόμενη εντολή που θα προσομοιωθεί, και η επόμενη αυτή εντολή εμφανίζεται τονισμένη με άλλο χρώμα στο τρίτο παράθυρο του SPIM (σε πλατφόρμα SPARC/Sunos υπάρχει ένα bug και το τόνισμα αυτό γίνεται εντολή-παρά-εντολή). Επίσης, η εντολή που μόλις εκτελέστηκε τυπώνεται στο κάτω-κάτω παράθυρο του SPIM.

Μετά την εκτέλεση της 6ης εντολής από το trap.handler, δηλαδή της εντολής "jal main" (jump and link) από τη διεύθυνση 00400014 (δεκαεξαδικό), η εκτέλεση πηγαίνει στη διεύθυνση 00400020 (δεκαεξαδικό), δηλαδή στο "main" --στο δικό μας πρόγραμμα. Μετά την εκτέλεση της εντολής "addi $16, $0, 10" από τη διεύθυνση 00400020, δηλαδή όταν ο PC είναι 00400024, παρατηρήστε ότι ο καταχωρητής R16 (στο πρώτο παράθυρο, 4η γραμμή, μέση) αλλάζει τιμή και γίνεται 0000000a δεκαεξαδικό, δηλαδή 10 δεκαδικό, όπως έπρεπε, αφού σε αυτόν τον καταχωρητή έγραψε η εντολή που μόλις εκτελέστηκε το αποτέλεσμα της πρόσθεσης του καταχωρητή $0 (που περιέχει πάντα μηδέν) με τη σταθερή ποσότητα 10 (δεκαδικό).

Καθώς εκτελείτε μιά-μιά τις εντολές του προγράμματός μας, παρακολουθήστε πώς αλλάζουν τα περιεχόμενα των καταχωρητών R16, R17, και R18, στο πρώτο παράθυρο του SPIM, στη μέση. Θυμηθείτε ότι τα περιεχόμενα αυτά ο SPIM τα δείχνει στο δεκαεξαδικό σύστημα. Όταν η εκτέλεση φτάσει στην εντολή "j main", παρατηρήστε ότι ο PC παίρνει ξανά την τιμή 00400020 (δεκαεξαδικό), και ξαναρχίζει η εκτέλεση του ίδιου προγράμματός μας, από την αρχή. Επειδή το πρόγραμμά μας είναι ένας άπειρος βρόχος που δεν επικοινωνεί καθόλου με τον έξω κόσμο --δεν γράφει ή διαβάζει τίποτα από την "κονσόλα"-- αποφύγετε να πατήστε το κουμπί "run" στο δεύτερο παράθυρο, ή το κουμπί "continue" στο υπο-παράθυρο "prompt" του "step", διότι ο προσομοιωτής "κολλάει", δηλαδή μπαίνει κι αυτός σε άπειρο βρόχο, προσομοιώνοντας συνεχώς το δικό μας άπειρο βρόχο, οπότε μοναδική λύση είναι να τον διακόψετε ή "σκοτώσετε" με control-C.

Τρόπος Παράδοσης:

Θα παραδώσετε ηλεκτρονικά ένα στιγμιότυπο της οθόνης καθώς τρέχετε το πρόγραμμα "xspim" και αυτό βρίσκεται σ' ένα "ενδιαφέρον" ενδιάμεσο σημείο της επιλογής σας. Το στιγμιότυπο θα το πάρετε και θα το παραδώσετε ως εξής:


Up to the Home Page of CS-225
 
© copyright University of Crete, Greece.
Last updated: 10 Feb. 2002, by M. Katevenis.