Βιβλίο: Προσημασμένοι αριθμοί: Διαβάστε την §2.4 (σελίδες 127-134 στο Ελληνικό βιβλίο, pp. 74-81 στο Αγγλικό), και ξαναθυμηθείτε το Εργαστήριο 6 της Ψηφιακής Σχεδίασης.

2.1   Ολίγα περί Εντολών Διακλάδωσης υπό Συνθήκη

Γιά να φτιάξουμε έναν κανονικό (όχι άπειρο) βρόχο χρειαζόμαστε μια εντολή διακλάδωσης υπό συνθήκη (conditional branch), δηλαδή μια εντολή που μερικές φορές προκαλεί διακλάδωση και μερικές φορές όχι, ανάλογα με το αν ισχύει ή δεν ισχύει κάποια κατάλληλη συνθήκη. Η βασική τέτοια εντολή είναι η beq (branch if equal): Η εντολή "beq x26, x27, label" διαβάζει τους καταχωρητές 26 και 27, και τους συγκρίνει. Εάν τους βρει ίσους (equal) διακλαδίζεται στη θέση label, δηλαδή κάνει τον επεξεργαστή να διαβάσει και εκτελέσει την εντολή από εκείνη τη διεύθυνση σαν επόμενη εντολή. Αλλιώς, δεν κάνει τίποτα το ξεχωριστό, οπότε σαν επόμενη εντολή θα διαβαστεί και εκτελεστεί η "από κάτω" εντολή. Η εντολή bne (branch if not equal) κάνει τα ανάποδα, δηλαδή διακλαδίζεται εάν βρει τους καταχωρητές άνισους (not equal), αλλιώς συνεχίζει "από κάτω".

2.2   Κώδικας Βρόχου και Εισόδου/Εξόδου Κονσόλας

                # compute s = 1+2+3+...+(n-1),  for n>=2
                # register x26: n
                # register x27: s
                # register x28: i

        .data           # init. data memory with the strings needed:
str_n:  .asciz "n = "
str_s:  .asciz "       s = "
str_nl: .asciz "\n"

        .text           # program memory:

main:                       # (1) PRINT A PROMPT:
        addi    x17, x0, 4      # environment call code for print_string
        la      x10, str_n      # pseudo-instruction: address of string
        ecall                   # print the string from str_n
                            # (2) READ n (MUST be n>=2 --not checked!):
        addi    x17, x0, 5      # environment call code for read_int
        ecall                   # read a line containing an integer
        add     x26, x10, x0    # copy returned int from x10 to n
                            # (3) INITIALIZE s and i:
        add     x27, x0, x0     # s=0;
        addi    x28, x0, 1      # i=1;
loop:                       # (4) LOOP starts here
        add     x27, x27, x28   # s=s+i;
        addi    x28, x28, 1     # i=i+1;
        bne     x28, x26, loop  # repeat while (i!=n)
                            #     LOOP ENDS HERE
                            # (5) PRINT THE RESULT:
        addi    x17, x0, 4      # environment call code for print_string
        la      x10, str_s      # pseudo-instruction: address of string
        ecall                   # print the string from str_s
        addi    x17, x0, 1      # environment call code for print_int
        add     x10, x27, x0    # copy argument s to x10
        ecall                   # print the integer in x10 (s)
        addi    x17, x0, 4      # environment call code for print_string
        la      x10, str_nl     # pseudo-instruction: address of string
        ecall                   # print a new-line
                            # (6) START ALL OVER AGAIN (infinite loop)
        j       main            # unconditionally jump back to main

• Το κομμάτι κάθε γραμμής μετά το # είναι σχόλια, όπως είπαμε και στην άσκηση 1 (μόνο, το Αγγλικό βιβλίο χρησιμοποιεί "//" γιά τα σχόλια).
• Οι γραμμές που αρχίζουν με τελεία (".") είναι οδηγίες (Directives) προς τον Assembler, και όχι εντολές Assembly του RISC-V. Ο πλήρης κατάλογος των οδηγιών που δέχεται ο RARS βρίσκεται μέσω του Help του RARS, στην καρτέλα RISCV→Directives, σε περίπτωση που θέλετε να τον συμβουλευθείτε.
• Η οδηγία .data σημαίνει πως ό,τι ακολουθεί είναι δεδομένα (και όχι εντολές), και πρέπει να τοποθετηθούν στο κομμάτι της μνήμης που προορίζεται για αυτά (Data segment) (στον RARS αυτό αρχίζει από τη διεύθυνση 10010000 δεκαεξαδικό).
• Η οδηγία .asciz σημαίνει να αρχικοποιήσει ο Assembler τις επόμενες θέσεις (bytes) μνήμης με το ASCII string που ακολουθεί, τερματισμένο με ένα NULL byte όπως και στην C. Οι ετικέτες (labels) str_n, str_s, και str_nl, ακολουθούμενες από άνω-κάτω τελεία ":", ορίζουν την κάθε ετικέτα σαν την διεύθυνση μνήμης όπου ο Assembler βάζει το αντίστοιχο string (τη διεύθυνση μνήμης του πρώτου byte του string).
• Η οδηγία .text σημαίνει, όπως είπαμε και στην άσκηση 1, πως ό,τι ακολουθεί είναι εντολές (και όχι δεδομένα), και πρέπει να τοποθετηθούν στο κομμάτι της μνήμης που προορίζεται για αυτές (Text segment).

• Το κομμάτι (1) του κώδικα είναι ένα κάλεσμα περιβάλλοντος (ecall – environment call) (π.χ. λειτουργικού συστήματος) προκειμένου να τυπωθεί το string str_n στην κονσόλα "Run I/O", κάτω αριστερά (πρόκειται για το string "n = " που ορίστηκε παραπάνω). Για να καταλάβει το λειτουργικό σύστημα ποιο από όλα τα ecall's ζητάμε, βάζουμε στον καταχωρητή x17 σαν παράμετρο (argument) τον αριθμό 4, που σημαίνει ότι ζητάμε το ecall υπ' αριθμό 4, που είναι το print_string. Τα ecall's που υλοποιεί ο RARS περιγράφονται μέσω του Help του RARS, στην καρτέλα RISCV→Syscalls.
• Επίσης, για να ξέρει το περιβάλλον ποιο string θέλουμε να τυπώσει στην κονσόλα, βάζουμε στον καταχωρητή x10 σαν παράμετρο (argument) τη διεύθυνση μνήμης αυτού του string (δηλ. έναν pointer σε αυτό το string), που στην περίπτωσή μας είναι η ετικέτα str_n που ορίσαμε παραπάνω: το "la" είναι ψεύδοεντολή (pseudoinstruction) του Assembler του RARS, και όχι κανονική εντολή του RISC-V, και λέει στον Assembler να γεννήσει μία ή δύο πραγματικές εντολές που τοποθετούν τη διεύθυνση της ετικέτας str_n στον καταχωρητή x10, ανάλογα αν η διεύθυνση αυτή χωρά ή όχι στα περιορισμένα bits μιάς σταθεράς "immediate" όπως θα δούμε αργότερα.
• Το κομμάτι (2) του κώδικα είναι ένα ανάλογο κάλεσμα (το κάλεσμα υπ' αριθμό 5, δηλαδή read_int), που περιμένει να διαβάσει έναν ακέραιο από την κονσόλα: ο προσομοιωτής θα περιμένει εκεί μέχρι να πληκτρολογήσετε έναν ακέραιο και ένα ENTER (RETURN) στο παράθυρο "Run I/O", κάτω αριστερά. Μέσω της επόμενης εντολής, add, ο ακέραιος που επιστρέφει το κάλεσμα (στον καταχωρητή x10) αρχικοποιεί τη μεταβλητή μας n (στον καταχωρητή x26).
• Το κομμάτι (3) του κώδικα είναι η αρχικοποίηση των μεταβλητών s (καταχωρητής x27) και i (καταχωρητής x28) πριν μπούμε στο βρόχο.
• Το κομμάτι (4) του κώδικα είναι ο κυρίως βρόχος υπολογισμού. Σε κάθε επανάληψή του αυξάνει το s κατά i και το i κατά 1, και στη συνέχεια συγκρίνει το i (καταχωρητής x28) με το n (καταχωρητής x26) και διακλαδίζεται (πηγαίνει) πίσω στην ετικέτα loop, δηλαδή στην αρχή του βρόχου, όσο αυτές οι δύο μεταβλητές δεν είναι ίσες μεταξύ τους, δηλαδή όσο το i δεν έφτασε ακόμα το n. Αλλιώς, μόλις το (ήδη αυξημένο) i γίνει ίσο με n, δεν διακλαδιζόμαστε πίσω, αλλά συνεχίζουμε με την επόμενη εντολή, δηλαδή το κομμάτι (5) του κώδικα.
• Το κομμάτι (5) του κώδικα είναι τρία καλέσματα περιβάλλοντος για να τυπωθούν: το string str_s, το αποτέλεσμα s, και το string str_nl. Τέλος, η εντολή jump στο (6) μας επιστρέφει πάντα πίσω στο main, ώστε το πρόγραμμα να ξανατρέξει από την αρχή και συνεχώς μέχρι να τερματίσετε τον RARS.

• Ξεκινήστε τον RARS με τον τρόπο που είπαμε στην §1.4, και φορτώστε το αρχείο με το παραπάνω πρόγραμμα που γράψατε μέσω του File→Open (πάνω αριστερά). Στη συνέχεια, μεταφράστε το πρόγραμμα μέσω του κουμπιού "Assemble" (εικονίδιο με κατσαβίδι και κλειδί γιά μπουλόνια).
• Μέσω του κουμπιού "Single step" ζητήστε single-stepping, δηλαδή να εκτελούνται μια-μια οι εντολές και να τις βλέπετε. Η εκτέλεση αρχίζει στη διεύθυνση "main" (0x00400000). Όταν φτάσετε στο δεύτερο κάλεσμα συστήματος, μην ξεχάσετε να πληκτρολογήσετε έναν ακέραιο μεγαλύτερο ή ίσο του 2 (πρέπει να τον πληκτρολογήσετε αφού ο RARS φτάσει εκεί --παλαιότερες πληκτρολογήσεις αγνοούνται).
• Αφού βαρεθείτε να βλέπετε τις εντολές να εκτελούνται μία-μία, ορίστε "breakpoint(s)" στο πρόγραμμά σας: τσεκάρετε το κουτί "Bkpt" αριστερά από την επιθυμητή εντολή στο Text segment. Μετά, πείτε στο πρόγραμμα να τρέξει, μέσω του κουμπιού "Run" (δεξιό πράσινο βέλος), οπότε αυτό τρέχει "σιωπηλά" μέχρι να (ξανα)φτάσει αμέσως πριν την εκτέλεση της επόμενης εντολής που έχει οριστεί σαν breakpoint. Έτσι μπορείτε να επιταχύνετε την παρακολούθηση ενός προγράμματος, και να το κάνετε να σταματάει σε "ενδιαφέροντα" ή "ύποπτα" σημεία.
• Τέλος, αφαιρέστε όλα τα breakpoints και τρέξτε το πρόγραμμα κανονικά, οπότε θα βλέπετε μόνο τις εισόδους και εξόδους στην κονσόλα.

Γιά να παραδώσετε τις ασκήσεις σας γενικά και αυτήν εδώ ειδικά, συνδεθείτε σε ένα μηχάνημα Linux του Τμήματος. Ετοιμάστε ένα directory με το(α) αρχείο(α) που σας ζητάει η άσκηση. Ας υποθέσουμε ότι το όνομα του directory είναι [somepath]/mydir. Μετακινηθείτε στο directory [somepath], και εκτελέστε την εντολή:
          turnin ex02@hy225 mydir
Η διαδικασία turnin θα σας ζητήσει να επιβεβαιώσετε την αποστολή των αρχείων. Περισσότερες πληροφορίες και αναλυτικές οδηγίες για τη διαδικασία turnin είναι διαθέσιμες στην ιστοσελίδα https://www.csd.uoc.gr/index.jsp?custom=use_the_turnin ή εκτελώντας man turnin σε κάποιο από τα μηχανήματα Linux του Τμήματος. Γιά επαλήθευση της υποβολής μπορείτε να εκτελέσετε: verify-turnin ex02@hy225

2.4   Προσημασμένοι Αριθμοί, Επέκταση Προσήμου

Έστω ο προσημασμένος ακέραιος A_s,k με k bits, τον οποίο θέλουμε να μετατρέψουμε στον ίδιο αριθμό A_s,n με n bits: A_s,n = A_s,k όπου n>k. Εάν τα bits του A_s,k τα ερμηνεύσουμε σαν μη προσημασμένο (unsigned) ακέραιο, τότε θα μοιάζουν με (θα δηλώνουν) έναν αριθμό που ας το ονομάσουμε A_u,k και ομοίως εάν τα bits του A_s,n τα ερμηνεύσουμε σαν unsigned τότε θα μοιάζουν με τον A_u,n . Εάν ο A_s,k = A_s,n είναι μη αρνητικός (δηλ. θετικός ή μηδέν), τότε, κατά τον ορισμό της κωδικοποίησης συμπληρώματος ως-προς-2, (α) το αριστερό bit τους θα είναι μηδέν, και (β) οι απρόσημες ερμηνίες τους θα είναι: A_u,k = A_s,k και A_u,n = A_s,n , και αφού A_s,n = A_s,k τότε θα είναι και: A_u,n = A_u,k. Αυτοί οι δύο τελευταίοι, αφού είνα unsigned ακέραιοι, με n και k bits αντίστοιχα, και είναι ίσοι μεταξύ τους, προκύπτει ότι ο A_u,n που έχει περισσότερα bits θα είναι ίδιος με τον A_u,k αλλά με n-k μηδενικά προστεθημένα αριστερά από τον A_u,k .

Αλλιώς, εάν οι A_s,n = A_s,k είναι αρνητικοί, τότε, κατά τον ορισμό μας, (α) το αριστερό bit τους θα είναι ένα, και (β) οι απρόσημες ερμηνίες τους θα είναι: A_u,k = A_s,k + 2^k και A_u,n = A_s,n + 2ⁿ . Δεδομένου ότι: A_s,n = A_s,k προκύπτει ότι θα είναι και: A_u,n - 2ⁿ = A_u,k - 2^k . Επομένως, η αναπαράσταση που ψάχνουμε είναι η: A_u,n = A_u,k - 2^k + 2ⁿ = A_u,k + (2ⁿ - 2^k) = (2^n-k - 1) · 2^k + A_u,k . Σε αυτήν την τελευταία έκφραση, ο μεν αριστερός προσθετέος, (2^n-k - 1) · 2^k, αποτελείται από (n-k) το πλήθος άσσους (που είναι ο αριθμός 2^n-k - 1) ολισθημένους αριστερά κατά k θέσεις bits (που είναι ο πολλαπλασιασμός επί 2^k), ο δε δεξιός προσθετέος, A_u,k , είναι τα αρχικά k bits του αρχικού αριθμού που μας δόθηκε. Δεδομένου ότι ο πρώτος προσθετέος έχει όλο μηδενικά στις k δεξιές θέσεις, ο δε δεύτερος προσθετέος έχει όλο μηδενικά στις (n-k) αριστερές θέσεις, το άθροισμά τους θα είναι απλώς η "συγκόλληση" (concatenation) των δύο αυτών ποσοτήτων. Επομένως, η αναπαράσταση με n bits του αρχικού αριθμού που μας δόθηκε θα αποτελείται από τα αρχικά k bits, δεξιά, μαζί με (n-k) άσσους κολλημένους ακριβώς αριστερά τους.

Συνολικά λοιπόν, γιά να μετατρέψουμε ένα προσημασμένο (signed) ακέραιο από k (λιγότερα) bits σε n (περισσότερα) bits, δεν έχουμε παρά να κάνουμε το εξής: Τοποθετούμε αριστερά από τα bits που μας δόθηκαν (n-k) επιπλέον bits τα οποία είναι όλα τους αντίγραφα του αριστερού (most significant) bit του αριθμού που μας δόθηκε, δηλαδή αντίγραφα του bit που υποδεικνύει το πρόσημο του δοθέντος αριθμού (0 γιά θετικούς ή το μηδεν, 1 γιά αρνητικούς). Η πράξη αυτή ονομάζεται επομένως, προφανώς, επέκταση προσήμου (sign extension).