Stručný návod k pouití simulátoru SPIM

Stručný návod k pouití simulátoru SPIM

1. Základní vlastnosti

SPIM je jednoduchý simulátor procesorů MIPS řady R2000 a R3000. Vstupem simulátoru je program napsaný v jazyku symbolických adres. Simulátor čte přímo zdrojový kód, take není nutné před simulací program přeloit a sestavit. V simulátoru lze volitelně zapnout simulaci zpoděného provedení instrukcí typu LOAD a skokových instrukcí.

2. Syntaxe asembleru

Jazyk symbolických adres akceptovaný simulátorem SPIM má velmi jednoduchou syntaxi, která vyhovuje pro psaní jednoduchých programů.

Program se zapisuje do sloupců obvyklým způsobem.
Návětí (symbolické adresy) jsou ukončeny dvojtečkou.
Názvy instrukcí jsou klíčová slova - nesmí se pouít v jiném významu.
Vechny direktivy mají na začátku názvu tečku.

Direktivy překladače

V následující tabulce (Tab. 1) je uveden seznam direktiv, akceptovaných překladačem simulátoru SPIM.

Direktiva	Význam
.align n	Zarovnání počítadla adres na hranici 2ⁿ.
.ascii str	Definice řetězce ASCII. Řetězec není zakončen nulovým znakem.
.asciiz str	Definice řetězce ASCII. Řetězec je zakončen nulovým znakem.
.byte b1,...bn	Definice bytů s obsahem b1, ... bn
.data <addr>	Označení datového segmentu. Následující poloky budou ukládány do datového segmentu. Volitelně lze zadat adresu ukládání addr.
.double d1,...dn	Definice dat ve formátu double precision float. Jednotlivé poloky mají hodnotu d1, ... dn.
.extern sym size	Definice externího symbolu sym o velikosti size bytů.
.float f1,...fn	Definice dat ve formátu single precision float. Jednotlivé poloky mají hodnotu f1, ... fn.
.globl sym	Definice globálního symbolu sym.
.half h1,...hn	Definice 16bitových hodnot h1, ... hn.
.kdata <addr>	Označení segmentu jádra (kernel). Následující poloky budou ukládány do datového segmentu jádra. Volitelně lze zadat adresu ukládání addr.
.ktext <addr>	Označení segmentu jádra (kernel). Následující instrukce budou ukládány do programového segmentu jádra. Volitelně lze zadat adresu ukládání addr.
.set noat	Potlačení varovných zpráv při pouití registru $at.
.set at	Povolení varovných zpráv při pouití registru $at.
.space n	Posunutí počítadla adres v aktivním segmentu o n bytů.
.text <addr>	Označení kódového segmentu. Následující poloky budou ukládány do datového segmentu. Volitelně lze zadat adresu ukládání addr.
.word w1,...wn	Definice 32bitových hodnot w1, ... wn.

Tab. 1

Poznámka: V terminologii, pouívané v souvislosti s procesorem MIPS je pojmem word označována 32bitová poloka a pojmem halfword 16bitová poloka.

Struktura programu

Program je tvořen jedním kódovým segmentem (v originální terminologii označovaným jako text, v programu uvozeným direktivou .text) a jedním datovým segmentem (označeným direktivou .data). Zásobníkový segment je ve SPIM vytvořen automaticky.

Segment jádra obsahuje procedury pro zpracování výjimek (Exceptions) a některé systémové sluby. V simulátoru je standardní modul jádra zaváděn automaticky.

Po inicializaci simulátoru a zavedení programu je programový segment (text segment) uloen od adresy 0040 0000h. Na této adrese je krátká rutina, která zabezpečuje předání parametrů do programu. Uivatelský program je sputěn instrukcí

jal main .

Datový segment je uloen od adresy 1000 0000h. Data v něm uloená jsou obvykle adresována pomocí registru $gp, který je při inicializaci simulátoru nastaven na hodnotu 1000 8000h.

Zásobník je standardně umístěn na adrese 7FFF FFFF. Registr $sp je inicializován na hodnotu 7FFF EFF0h.

Jednoduchý program

Následující příklad velmi jednoduchého programu ukazuje některé základní postupy:

.data

var1: .word 0x11223344

var2: .word 0xAABBCC00

var3: .word 0x00

.text

.globl main

main: lw $t0,var1 # prvni operand do $t0

lw $t1,var2 # druhy operand do $t1

nop

addu $t2,$t1,$t0 # $t2 = $t1 + $t0

sw $t2,var3 # vysledek z $t2 do var3

j $ra # navrat

nop

V datovém segmentu jsou definovány proměnné var1, var2 a var3 typu word, tj. 32bitové.

Vstupní bod programu musí být označen návětím s názvem main, které musí být deklarováno jako globální.

Instrukce

j $ra

na konci programu vrací výpočet do úvodní rutiny, odkud je potom je volána systémová sluba exit. Protoe simulátor procesoru umoňuje i simulaci zpoděných skoků, měla by být za instrukcí j $ra instrukce nop .

Na konci programu není direktiva end.

3. Systémové sluby

V simulátoru SPIM lze pouít simulované volání některých systémových slueb operačního systému. Postup volání je následující:

Do registru $v0 se vloí číslo systémové sluby (viz Tab. 2).
Argumenty volání se vloí do registrů $a0 - $a3 (resp. do $f12 pro argumenty v pohyblivé řádové čárce).
Systémové sluby se volají instrukcí syscall.
Případné výsledky jsou vraceny v registru $v0 resp. $f0.

Sluby vstupu a výstupu spolupracují se simulovanou konzolou, její okno se v případě potřeby automaticky otevře na pracovní ploe.

Sluba	Číslo sluby	Argumenty	Výsledek
print_int	1	$a0 = integer
print_float	2	$f12 = float
print_double	3	$f12 = float
print_string	4	$a0 = string
read_int	5		integer ve $v0
read_float	6		float v $f0
read_double	7		double v $f0
read_string	8	$a0 = buffer, $a1 = length
sbrk	9	$a0 = amount
exit	10

Tab. 2

Následující část programu ilustruje pouití systémové sluby print_string:

.data

t_ahoj: .asciiz Ahoj\n

...

.text

...

li $v0,4 # cislo sluzby do $v0

la $a0,t_ahoj # adresa textu do $a0

syscall # volani systemovych sluzeb

nop

...

4. Příklady

V přiloených souborech jsou ukázky velmi jednoduchých programů, které demonstrují některé jevy probírané na cvičení:

Program skok.asm demonstruje zpodění skokových instrukcí. Ze dvou instrukcí, které jsou v programu za instrukcí J lbl1 se první provede - do registru $t0 vloí hodnotu 0xFF. Druhá instrukce se neprovede a $t1 proto zůstane beze změny.
Program secitani.asm demonstruje zpodění čtení dat z paměti. Protoe instrukce ADDU $t2,$t1,$t0 je bezprostředně za instrukcí lw $t1,var2, která naplní $t1 daty z paměti, je výsledek sečítání nesprávný.
Program secitani_NOP obsahuje předchozí program upravený vloením instrukcí NOP tak, aby sečítání dávalo správný výsledek.
Program vystup.asm demonstruje pouití sluby pro výstup řetězce na konzolu.
Program pole.asm demonstruje práci s indexovanou proměnnou resp. s textem. Program kopíruje text z jednoho místa paměti na jiné. Kopírování je ukončeno po nalezení bytu s hodnotou 0x00. Pro čtení bytu z paměti je pouita instrukce LBU ... , která neprovádí znaménkové rozíření bytu (signum extension) na 32 bitů.

5. Některá nastavení simulátoru SPIM

V okně, které otevřeme pomocí příkazu Simulator Settings lze nastavit některé vlastnosti simulátoru (viz Obr. 1).

Obr. 1

Předevím se jedná o povolení nebo zákaz simulace zpodění instrukcí typu load a skokových instrukcí. Porovnání průběhu výpočtu s povolenou a zakázanou simulací těchto zpodění je velmi uitečné pro pochopení činnosti procesorů s architekturou RISC.

Poznámka:

Při simulaci je nutné mít na paměti, e MIPS je procesor s architekturou RISC, která klade značná omezení na instrukční soubor. Překladač asembleru usnadňuje v některých případech práci programátora tím, e dovoluje pouívat takzvané pseudoinstrukce. Ty se svým významem podobají normálním instrukcím, jsou vak na rozdíl od nich překládány způsobem 1:n, tj. jedna pseudoinstrukce v asembleru je přeloena do několika strojových instrukcí. Příkladem můe být běná pseudoinstrukce

lw $t0,var1 ,

která byla pouita v ukázkovém programu. Protoe instrukční soubor procesoru MIPS nedovoluje pouít instrukci lw s adresním polem dostatečně dlouhým pro adresování v celém rozsahu paměti, je nutné pouít pro práci s proměnnou var1 nepřímé adresování pomocí registru. Překladač pro tyto účely standardně pouívá registr $at (tj. $1). Výe uvedenou instrukci proto přeloí do dvou strojových instrukcí:

lui $1,4097

lw $8,0($1) .

Konstanta 4097, zavedená do vyí poloviny $at instrukcí lui ukazuje do datového segmentu (obsah $at po jejím provedení je 1001 0000h). Konstanta 0, pouitá v operandovém poli instrukce lw $8,0($1) je offset proměnné var1 v tomto segmentu (var1 je první definovaná proměnná, proto je její offset = 0. Proměnná var2 má offset 4 atd.).

Protoe simulátor SPIM zobrazuje obsah kódového segmentu po překladu, je moné způsob činnosti překladače snadno prostudovat.

6. Reference

Simulátor SPIM ve verzi pro Windows s názvem QTspim lze najít na adrese http://sourceforge.net/projects/spimsimulator/files/.

V případě zájmu lze najít i dalí verze pro jiné operační systémy .

Na stejné adrese je ke staení i přehledný manuál k simulátoru SPIM, včetně instrukčního souboru procesoru MIPS. Tento manuál obsahuje i uitečné kapitoly, týkající se programování v asembleru.

Dále je k dispozici stručný návod pro první kroky se SPIM.

Architektura procesoru MIPS32 je popsána ve referenčních manuálech , které jsou po registraci ke staení na www stránkách společnosti Imagination Technologies.

Na stránkách Imagination Technologies je k nalezení i doplňující literatura o MIPS.

Pro ilustraci odkaz na 32bitové verze známých mikrokontrolérů PIC firmy Microchip, které pouívají architekturu MIPS.

Návrat na úvodní stránku předmětu ÚPA.

Poslední změna stránky byla provedena 18.09.2015