7 Q&A 11 2

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械畅
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1 PPCA2018: 带五级流的 MIPS 模拟器 PPCA 助教组目录 1 概述 3 2 时间和要求 3 3 正确性初始化寄存器通寄存器特殊寄存器内存分配汇编指令集算术和逻辑指令常数操作指令较指令分与跳转指令 Load 指令 Store 指令数据移动指令特殊指令五级流水划分寄存器读写顺序对于 Hazard 的处理注意事项 10 6 参考资料 11 1

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3 1 概述 MIPS 指令集是种经典常的 RISC 指令集, 采五级流架构本次作业要求完成个 MIPS 模拟器, 能够模拟运基于 MIPS 的汇编代码 2 时间和要求本作业安排在 PPCA 前两周时间 ( ) 本作业要求实现 Lexer 和 Parser, 禁使现成语法分析具本作业不对编程语, 所框架库等做其他限制, 所的常库请及时联系冯思远助教以确保测评机环境正确 3 正确性要求实现的是个能够正确解释 MIPS 汇编语中与整数运算有关的个集的模拟器关于程序的正确性, 要求实现的模拟器有和 SPIM 标准结果相同答案. 3.1 初始化 $sp(29 号寄存器 ) 为数据栈顶的地址其他 31 个寄存器和 lo, hi 寄存器以及数据空间都默认为 0 所需要的数据空间 4M(4 * 1024 * 1024 byte) 3.2 寄存器通用寄存器 REGISTER NAME USAGE $0 $zero constant value 0 $1 $at Reserved for assembler $2-$3 $v0-$v1 values for results and expression evaluation $4-$7 $a0-$a3 arguments $8-$15 $t0-$t7 template $16-$23 $s0-$s7 saved $24-$25 $t8-$t9 template $28 $gp Global Pointer 3

4 $29 $sp Stack Pointer $30 $fp Frame Pointer $31 $ra return address 特殊寄存器 $hi( 乘除法使 ) $lo( 乘法法使 ) $pc( 程序计数器 ) 3.3 内存分配图 1: 内存分配 MIPS 的内存分配有定顺序, 栈空间从地址开始到低地址, 堆空间和静态空间从低地址开始到地址, 如图所对于之前的那个例, 如果执 lw $t1, static_b, 则 $t1 的值是 10 在正式执汇编程序之前, 汇编器会读取整个件, 按照件的顺序理解每个语句, 如果这条语句是汇编器指令, 那么就会按照要求执相应的操作, 例如分配定长度的内存对于出现在 data 区的 Label, 改 Label 指向的是这个 Label 后个 data 成员的内存地址例如 :. word 5 s t a t i c _ b :. word 10 其中 static_b 在内存中指向如图 2 所需要实现的 MIPS 汇编器指令如下 :.align n 把前的内存的位置与 2 n byte 对齐. 4

5 图 2: static_b 指向的位置.ascii str 存个 string 到内存中, 但没有结束符..asciiz str 存个 string 到内存中, 并且有结束符..byte b1,, bn 存 n 个 byte 到连续的段内存中..half h1,, hn 存 n 个 halfword 到连续的段内存中..word w1,, wn 存 n 个 Word 到连续的段内存中..space n 分配 n 个 byte 到内存中..data 数据区开始标志.text 代码区开始标志 Label 由字母 ( 写敏感, 数字和下划线以及其他部分的可见符号构成的字符串, 每个 Label 后有个冒号, 可以理解这是个指针. 3.4 汇编指令集算术和逻辑指令下提及的 Rdest 为存储结果的寄存器,Rsrc, Rsrc1, Rsrc2 为操作数所在的寄存器,Src2 表这个操作数既可以是即数也可以是个寄存器中的数据 ( 即寄存器标号 ): add Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 + Src2 5

6 addu Rdest, Rsrc1, Src2 ( 符号 )Rdest = Rsrc1 + Src2 addiu Rdest, Rsrc1, Imm ( 符号 )Rdest = Rsrc1 + Imm sub Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 - Src2 subu Rdest, Rsrc1, Src2 ( 符号 )Rdest = Rsrc1 - Src2 mul Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 * Src2 mulu Rdest, Rsrc1, Src2 ( 符号 )Rdest = Rsrc1 * Src2 mul Rdest, Src2 相乘, 低 32 位存在 lo, 32 位存在 hi mulu Rdest, Src2 ( 符号 ) 相乘, 低 32 位存在 lo, 32 位存在 hi div Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 / Src2 divu Rdest, Rsrc1, Src2 ( 符号 )Rdest = Rsrc1 / Src2 div Rsrc1, Rsrc2 lo = Rsrc1 / Src2, hi = Rsrc1 % Src2 divu Rsrc1, Rsrc2 ( 符号 )lo = Rsrc1 / Src2, hi = Rsrc1 % Src2 xor Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 异或 Src2 xoru Rdest, Rsrc1, Src2 ( 符号 )Rdest = Rsrc1 异或 Src2 neg Rdest, Rsrc Rdest = Rsrc 取反 negu Rdest, Rsrc ( 符号 )Rdest = Rsrc 取反 rem Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 % Src2 remu Rdest, Rsrc1, Src2 ( 符号 )Rdest = Rsrc1 % Src 常数操作指令 li Rdest, imm Rdest = imm 比较指令对于所有的较指令, 结果为真返回 1, 结果为假则返回 0 seq Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 == Src2 sge Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 >= Src2 6

7 sgt Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 > Src2 sle Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 <= Src2 slt Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1 < Src2 sne Rdest, Rsrc1, Src2 Rdest = Rsrc1!= Src 分支与跳转指令每条 MIPS 的汇编指令都可以有个或者多个 label, 分与跳转语句中的 label 就是汇编指令的 label, 于跳转到具有特定 label 的语句, 注意 label 是全局唯的 b label goto label beq Rsrc1, Src2, label if (Rsrc1 == Src2) goto label bne Rsrc1, Src2, label if (Rsrc1!= Src2) goto label bge Rsrc1, Src2, label if (Rsrc1 >= Src2) goto label ble Rsrc1, Src2, label if (Rsrc1 <= Src2) goto label bgt Rsrc1, Src2, label if (Rsrc1 > Src2) goto label blt Rsrc1, Src2, label if (Rsrc1 < Src2) goto label beqz Rsrc, label if (Rsrc1 == 0) goto label bnez Rsrc, label if (Rsrc1!= 0) goto label blez Rsrc, label if (Rsrc1 <= 0) goto label bgez Rsrc, label if (Rsrc1 >= 0) goto label bgtz Rsrc, label if (Rsrc1 > 0) goto label bltz Rsrc, label if (Rsrc1 < 0) goto label j label goto label jr Rsrc goto 指令地址 in Rsrc jal label $31 = 下条指令的地址, goto label jalr Rsrc $31 = 下条指令的地址, goto 指令地址 in Rsrc 7

8 3.4.5 Load 指令 la Rdest, address Rdest = address lb Rdest, address Rdest = data[address : address + 1] lh Rdest, address Rdest = data[address : address + 2] lw Rdest, address Rdest = data[address : address + 4] Store 指令 sb Rsrc, address data[address : address + 1] = Rsrc sh Rsrc, address data[address : address + 2] = Rsrc sw Rsrc, address data[address : address + 4] = Rsrc 数据移动指令 move Rdest, Rsrc Rdest = Rsrc mfhi Rdest Rdest = hi mflo Rdest Rdest = lo 特殊指令 nop 啥也不做, 但得占五个周期 syscall 只需要模拟下提到的个系统调即可编号说明参数结果 1 输出个整数 $a0: 需要输出的整数 N/A 4 输出个字符串, 这个字 $a0: 字符串的第个字 N/A 符串要求以 \0 结尾符的地址 5 读个整数 N/A 读的整数保存在 $v0 8 读个字符串 $a0: 存放读字符串的缓冲区 ;$a1: 读最长的长度 +1 1 N/A 1 如果要读如 abc, 那么 $a1 应该设置成 4 或者更 8

9 9 分配堆内存 $a0: 需要申请的连续的 2 内存长度 $v0: 申请结果, 即内 3 存段的地址 10 结束运 N/A 读的整数保存在 $v0 17 结束运 ( 有返回值 ) 4 $a0: 程序运结束的返回值 N/A 4 五级流水划分 Instruction Fetch 要执的指令. 取指令阶段, 获得从 PC 寄存器 ( 存储下条指令的位置 ) 下条 Instruction Decode & Data Preparation 得到的指令进解码, 并且准备计算所需要的数据对 Instruction Fetch(IF)( 取指令 ) 阶段 Execution 执完成这个条指令必要的运算对于算术和逻辑运算, 那么计算出运算结果 ; 对于内存操作, 那么计算出实际需要 load/store 的内存地址. Memory Access 访问内存, 完成 load/store 指令中要访问内存的部分 Write Back 回写, 把算术或者逻辑运算的结果写到指定寄存器, 把从内存中 load 到的数据写指定的寄存器对于分语句, 在这个阶段会改写 PC 寄存器 4.1 寄存器读写顺序由于流线的存在, 所以可能在同个 CPU 时钟周期既要读寄存器又要写寄存器, 先读还是先写会影响结果的正确性, 所以我们规定, 同个 CPU 时钟周期先写寄存器, 再读寄存器 5 2 单位 : 字节 3 注意返回的地址要求地址对齐到 C 语中的 exit() 函数 5 如果把个周期分成两个半周期, 那么可以简单的认为, 前半周期写, 后半周期读 9

10 4.2 对于 Hazard 的处理流线在处理的过程中由于各种原因会导致流线不能像期望的那样正常作, 下有三类 Hazard 6 : 7 Structure Hazard 由于内存是总线上的设备, 总线的特性是同时间只能接受并执个任务请求, 即不能再个周期同时执读取和写 ( 或者两个读取内存的操作 ) 内存的操作, 因此会造成流线不能正常作举个例, 在每条指令的 IF 阶段都需要读取内存获取相应的内存, 第四个阶段 Memory Access(MEM) 中 load/store 指令也会读取或者写内存, 因此会造成总线的操作冲突, 流线因此停滞 Data Hazard 由于寄存器的内容只有当指令执到第五个 Write Back 阶段才会更新, 所以, 对于数据有依赖的情况, 流线就不能正常的运转, 需要等在前个指令完全完成操作才, 注意 : 指令 syscall 是个特殊的指令, 这个指令会使 $v0, $a0, $a1 这三个寄存器的值, 所以如果出现了相关的数据依赖关系, 那么会产个 Data Hazard 同时 syscall 本是个跳转指令 ( 虽然它在执中并不会程序员感觉到它是个跳转指令 ), 所以会造成 Control Hazard 于 syscall 指令的结果应该在第 5 个阶段的时候和普通的指令样写回寄存器 Control Hazard 会造成流线停滞对于分语句和跳转语句之后的语句不能轻易的上流线, 所以就当 Hazard 发的时候, 模拟器应暂停 ( 或者其他合理的做法 ), 等待 Hazard 消失, 然后继续运流线 5 注意事项注意处理转义符注意处理注释符号 # 虽然数据简单, 但还是尽量保证鲁棒性从 main 函数开始跑 neg 是取负这个架构里没有延迟槽 (Delay Slot) 6 在 CAAQA 的中版中,Hazard 被翻译成冒险, 但是乎所有的都认为这个翻译并不是那么合理, 所以我在这就直接使英不是中翻译 7 1 个时钟周期 10

11 本作业严打各类不诚实行为 6 参考资料五级流 : SPIM: 7 Q&A 11

微机原理(计算机原理与接口技术)

微机原理(计算机原理与接口技术) 微机原理 ( 计算机原理 ) 第 10 讲 MIPS 体系结构与编程 1 第 10 讲 MIPS 体系结构与编程 MIPS 体系结构概述 MIPS 指令集简介 MIPS 汇编语言程序设计 2 MIPS 体系结构概述 MIPS 诞生于 1980 年代, 是最早的 RISC 处理器之一, 也是目前销量最好的 RISC 处理器之一, 从游戏机到路由器, 再到 SGI 的超级计算机, 都可以看到 MIPS