Conception et exploitation des processeurs

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Jean-François Desmarais
il y a 8 ans
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1 Chargé de cours : Frédéric Pétrot Équipe pédagogique : Alban Bourge, Stéphane Mancini, Claire Maiza, Luc Michel, Olivier Muller (resp.), Sebastien Viardot Année universitaire

2 Structure du cours C1 Présentation du projet CEP et rappels de VHDL C2 Chaîne de compilation et assembleur MIPS C3 Conventions pour les appels de fonctions C4 Gestion des interruptions 2 / 24

3 Introduction Plan 1 Introduction 2 Chaîne de compilation, exécutable 3 Assembleur MIPS 4 Traduction systématique des structures de contrôle 5 Modes d adressage 3 / 24

4 Introduction Introduction Étude du langage d assemblage du processeur MIPS MIPS32 ISA symbolique RISC : Reduced Instruction Set Computer Constructeur MIPS a, 1988 Importante part de marché dans l embarqué (networking en particulier), mais nettement moins que ARM b, favori des smartphones et autres tablettes. a. racheté par Imagination en 2013 b. 4 / 24

de marché dans l embarqué (networking en particulier), mais nettement moins que ARM b, favori

5 Chaîne de compilation, exécutable Plan 1 Introduction 2 Chaîne de compilation, exécutable 3 Assembleur MIPS 4 Traduction systématique des structures de contrôle 5 Modes d adressage 5 / 24

6 Chaîne de compilation, exécutable Rappel sur la chaîne de compilation Cible MIPS sur hôte x86_64 : développement croisé Compilation mips-elf-gcc -g -S pwet.c produit pwet.s mips-elf-gcc -g -S ctru.c produit ctru.s Assemblage mips-elf-as -o pwet.o pwet.s produit pwet.o mips-elf-as -o ctru.o ctru.s produit ctru.o Édition de liens mips-elf-ld -T cep.ld -o gonk pwet.o ctru.o produit l exécutable gonk En pratique on appelle toujours mips-elf-gcc! 6 / 24

s Assemblage mips-elf-as -o pwet.o pwet.s produit pwet.o mips-elf-as -o ctru.o ctru.s produit ctru.

7 Chaîne de compilation, exécutable Exécutable en mémoire Exécutable constitué de 4 parties majeures Code Directive.text En lecture seulement Commence «en bas» de la mémoire Données connues statiquement Directive.data Variables globales initialisées au lancement En lecture/écriture Directive.comm Variables globales non explicitement initialisées, initialisées à zéro au lancement En lecture/écriture 7 / 24

text En lecture seulement Commence «en bas» de la mémoire Données connues statiquement Directive.

8 Chaîne de compilation, exécutable Exécutable en mémoire Données connues statiquement Directive.rodata (sur certains systèmes) Constantes initialisées au lancement En lecture seulement Placées à la suite du code Données allouées dynamiquement Pile Variables globales dont les adresses sont définies à l exécution : tas ou heap Placées à la suite des données initialisées Gérée par le matériel et/ou le logiciel lors des appels de fonctions Commence «à la fin» de la mémoire, «va» dans le sens des adresses décroissantes 8 / 24

allouées dynamiquement Pile Variables globales dont les adresses sont définies à l exécution : tas ou heap Placées à la suite des

9 Chaîne de compilation, exécutable Résumé 0xFFFFFFFF 0x.. 0x... pile.. tas.bss 0x...data 0x.. données.rodata 0x.. 0x.. code.text 0x.. 0x x x.. 0x.. code.text 0x...rodata 0x.. données.data.bss tas.. 0x.. 0x.. pile 0x.. 0xFFFFFFFF. 9 / 24

. 0x00000000. 0x00000000. 0x.. 0x.. code.text 0x...rodata 0x.

10 Chaîne de compilation, exécutable Rappel sur les types de données Types entiers de tailles fixes Types C99 (stdint.h) Taille en octets int64_t, uint64_t 8 int32_t, uint32_t 4 int16_t, uint16_t 2 int8_t, uint8_t 1 Cas des pointeurs (adresses) Forcément dépendant de l ISA : MIPS R3000 = 4 octets indépendant type donnée pointée (ex. : char *, int64_t *, )! Attention! Ne pas utiliser les types standards du C (int, long, ) dont la taille peut varier selon l ISA! 10 / 24

(adresses) Forcément dépendant de l ISA : MIPS R3000 = 4 octets indépendant type donnée pointée (ex.

11 Assembleur MIPS Plan 1 Introduction 2 Chaîne de compilation, exécutable 3 Assembleur MIPS 4 Traduction systématique des structures de contrôle 5 Modes d adressage 11 / 24

12 Assembleur MIPS ABI MIPS Convention d usage des registres Registre Nom Usage $0 $zero toujours 0 $1 $at réservé à l assembleur $2-$3 $v0-$v1 valeur(s) de retour (caller saved) $4-$7 $a0-$a3 4 premiers arguments (caller saved) $8-$15,$24,$25 $t0-$t9 temporaires (caller saved) $16-$23,$30 $s0-$s8 à sauver (callee saved) $26-$27 $k0-$k1 réservés au noyau (ne pas toucher) $28 $gp pointeur global (ne pas toucher) $29 $sp pointeur de pile (callee saved) $31 $ra adresse de retour (caller saved) clarification caller/callee saved cours n 3 utilisation des registres $v, $a, $t, $s dans un premier temps 12 / 24

sauver (callee saved) $26-$27 $k0-$k1 réservés au noyau (ne pas toucher) $28 $gp pointeur global (ne pas toucher) $29 $sp pointeur de pile (callee

13 Assembleur MIPS Macro-instructions Macros Pseudo-instructions facilitant l écriture Expansées en une ou deux instructions par l assembleur Branchements blt, bgt, ble, bge blt $t0, $t1, label => slt $at, $t0, $t1 bne $at, $zero, label bgt $t0, $t1, label => slt $at, $t1, $t0 bnez $at, label ble $t0, $t1, label => slt $at, $t1, $t0 beqz $at, label bge $t0, $t1, label => slt $at, $t0, $t1 beqz $at, label 13 / 24

$t0, $t1 bne $at, $zero, label bgt $t0, $t1, label => slt $at, $t1, $t0 bnez $at, label ble $t0, $t1,

14 Assembleur MIPS Macro-instructions Chargements move $t1, $v0 => addu $t1, $v0, $zero li $t0, 0xdeadbeef => lui $at, 0xdead ori $t0, $at, Oxbeef la $t0, label => lui $at, %hi(label) ori $t0, $at, %lo(label) Notations : %hi(label) => (label >> 16) & 0xffff %lo(label) => label & 0xffff Autres not $t1 => nor $t0, $t0, $zero neg $t4 => sub $t4, $zero, $t4 14 / 24

%hi(label) ori $t0, $at, %lo(label) Notations : %hi(label) => (label >> 16) & 0xffff

15 Traduction systématique des structures de contrôle Plan 1 Introduction 2 Chaîne de compilation, exécutable 3 Assembleur MIPS 4 Traduction systématique des structures de contrôle 5 Modes d adressage 15 / 24

exécutable 3 Assembleur MIPS 4 5 Modes d adressage

16 Traduction systématique des structures de contrôle if Conditions Condition assembleur complémentaire de celle exprimée au départ if if (x == 0) { x = 12; } if: bnez $s1, endif li $s1, 12 endif: if else if (x == 0) { x = 12; } else { x = 24; } if: bnez $s1, else li $s1, 12 j endif else: li $s1, 24 endif: 16 / 24

12; } if: bnez $s1, endif li $s1, 12 endif: if else if (x == 0) { x = 12; }

17 Traduction systématique des structures de contrôle if else if else if else if (x == 0) { x = 12; } else if (x > y) { x = 24; } else { x = 36; } if: bnez $s1, elseif li $s1, 12 j endif elseif: ble $s1, $s2, else li $s1, 24 j endif else: li $s1, 36 endif: Condition compliquée évaluation paresseuse utilisation de branchements successifs if ((a > 0 && b < 0xdead) c == d) { } if : blez $v1, L0 slti $a1,$a1,0xdead bnez $a1, L1 L0 : bne $v0,$a3, endif L1 : endif: 17 / 24

else: li $s1, 36 endif: Condition compliquée évaluation paresseuse utilisation de branchements successifs if ((a > 0

18 Traduction systématique des structures de contrôle while/for while while (i > 0) { i--; } loop : blez $v0, endloop addiu $v0, $v0, -1 j loop endloop :. for, autre manière d écrire un while en C for (i = 0; i < n; i++) { } li $v0, 0 loop : bge $v1, $v0, endloop addiu $v0, $v0, 1 j loop endloop :. 18 / 24

for, autre manière d écrire un while en C for (i = 0; i < n; i++) { } li

19 Traduction systématique des structures de contrôle case Case Après la section suivante! 19 / 24

20 Modes d'adressage Plan 1 Introduction 2 Chaîne de compilation, exécutable 3 Assembleur MIPS 4 Traduction systématique des structures de contrôle 5 Modes d adressage 20 / 24

21 Modes d'adressage Modes d adressage Ou comment accéder aux données en mémoire Constantes : placées dans l instruction elle-même C : MIPS : int32_t mcdo = 0x8badf00d; li $at, 0x8badf00d Variables scalaires : cases mémoire Identifiées par leur adresse C : int32_t dice = 420; void pwet(void) { dice++; } MIPS : relatif + dép..data dice:.word 420.text pwet: la $s0, dice lw $t0, ($s0) addiu $t0,$t0,1 sw $t0, ($s0) 21 / 24

22 Modes d'adressage Modes d adressage Horreur! Variable identifiée par adresse = pointeur! Variables de tous types : case mémoire Si connue statiquement (constante dans le code) : (en supposant qu'on laisse les variables automatiques one, five et nine dans des registres) C : int32_t p[] = { 1, 3, 0, 7, 9, 11, 13, 17}; void pwet(void) { int32_t one = p[0]; int32_t nine = p[4]; int32_t *five = &p[2]; *five = 5; } MIPS : relatif + dép..data p:.word 1, 3, 0, 7, 9, 11, 13, 17.text pwet: la $at, p lw $v0, 0*4($at) # $v0 est one lw $s1, 4*4($at) # $s1 est nine li $t0, 5 # $t0 est 5 sur 32 bits addiu $v1, $at, 2*4 # $v1 est five sw $a0, ($v1) # maj de p[2] 22 / 24

23 Modes d'adressage Modes d adressage Variables : case mémoire Accès indicé : (en supposant qu'on laisse les variables i et s dans des registres) MIPS : relatif + dép. C : int32_t p[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 17 }; void pwet(void) { int32_t i, s = 0; } for (i = 7; i >= 0; i--) s += p[i]; p:.word 1, 3, 0, 7, 9, 11, 13, 17.text pwet: li $at, 7 # i la $v0, p # &p[0] li $a0, 0 # s for: bltz $at, endfor sll $t0, $at, 2 # i*4 addiu $t0, $v0, $t0 # p+i*4 lw $t1, ($t0) # accès addiu $a0, $a0, $t1 # ajout addiu $at, $at, -1 j for endfor: 23 / 24

24 Modes d'adressage Case, le retour Case void pwet(void) { switch (y) { case 0: x += 11; break; case 1: x += 13; break; case 2: x += 17; break; case 3: x += 19; break; default: x += 23; } }.rdata table :.word $L0, $L1, $L2, $L3.text pwet: sltu $s0, $s0, 4 beq $s0, $zero, def la $at, table sll $a1, $s0, 2 # y*4 dans $a1 addu $at, $at, $a1 # lw $t0, 0($at) # charge l'@ jr $t0 # saute $L0: addiu $a0, $a0, 11 j esw # break $L1: addiu $a0, $a0, 13 j esw # break $L2: addiu $a0, $a0, 17 j esw # break $L3: addiu $a0, $a0, 19 j esw # break def: addiu $a0, $a0, 23 esw : 24 / 24

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