Architecture externe et jeu d'instructions - Processeur MIPS R3000.
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Ensimag - Filières SLE/ISI Processeur M IPS R3000. Architecture externe et jeu d’instructions M IPS R3000 jeu d’instructions page - 1
Ensimag - Filières SLE/ISI A) Introduction Ce document décrit l’architecture externe ainsi que le jeu d’instructions du processeur M IPS R3000. Le M IPS R3000 est la deuxième génération de processeur de la société M IPS1 , et n’est plus commercialisé aujourd’hui. Son successeur est le R4000 qui lui ressemble fort. Des informations sur cette famille de processeurs, très uti- lisée dans les applications embarquées et dans les machines parallèle à mémoire partagées, sont disponibles sur le site www.mips.com. L’architecture externe est le niveau d’abstraction nécessaire à l’écriture de programmes assembleur, de la partie génération de code d’un compilateur, et du programmeur de systèmes d’exploitation multi-processus (et/ou multi-tâches). Sont détaillés : – les registres visibles du logiciel ; – l’adressage de la mémoire ; – le jeu d’instruction ; – les mécanismes de traitement des exceptions, interruptions et appels systèmes. L’architecture interne sera décrite en détail durant le cours. B) Notations Par convention, nous utiliserons les notations du langage C pour la description des constantes, et pour la terminologie en général. La description des instructions nécessite également l’introduction de quelques notations : = test d’égalité + addition entière en complément à deux − soustraction entière en complément à deux × multiplication entière en complément à deux . . division entière en complément à deux mod reste de la division entière en complément à deux and opérateur et bit-à-bit or opérateur ou bit-à-bit nor opérateur non-ou bit-à-bit xor opérateur ou-exclusif bit-à-bit memb [a] contenu de la mémoire à l’adresse a accédée sur b octets ← assignation ⇒ implication k concaténation de chaînes de bits xn réplication du bit x dans une chaîne de n bits. Notons que x est un unique bit xp...q sélection des bits p à q de la chaîne de bits x Certains opérateurs n’étant pas évidents, nous donnons ici quelques exemples. 1 M IPS signifie Microprocessor without Interlocked Pipeline Stage. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 2
Ensimag - Filières SLE/ISI 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Posons 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 la chaîne de bit x, qui a une longueur de 16 bits, le bit le plus à droite étant le bit de poids faible et de numéro zéro, et le bit le plus à gauche étant le bit de poids fort et de numéro 15. x6...3 est la chaîne 1001. x16 15 crée une chaîne de 16 bits de long dupliquant le bit 15 de x, zéro 16 dans le cas présent. x15 k x15...0 est la valeur 32 bits avec extension de signe d’un immédiat en complément à deux de 16 bits. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 3
Ensimag - Filières SLE/ISI C) Architecture externe Le processeur possède deux modes, le mode utilisateur (ou user) pour exécuter les applications, et le mode noyau (ou kernel) pour exécuter le système. Ces 2 modes sont nécessaires à l’exécution sure de plusieurs processus sur un même processeur. 1) Registres visibles du logiciel Les registres du M IPS R3000 visibles du logiciel, c.-à-d. qui sont manipulés par les instructions implicitement ou explicitement, ont tous une taille de 32 bits. Le M IPS R3000 visant par construction l’exécution de multiples processus, des mécanismes de protections sont mis en œuvre pour l’accès aux registres relatifs au système. Ces derniers registres appartiennent à un coprocesseur système dit coprocesseur 0 ou cop0. Les accès à ce coprocesseur ne peuvent avoir lieu qu’en mode noyau. registres du processeur hormis $0 et $31, ils sont identiques du point de vue du matériel, et ils peuvent être accèdes dans les 2 modes. $i , (0 ≤ i ≤ 31) ce sont les registres d’usage général. Les opérandes des instructions et leur(s) résultat(s) y sont placés. Le registre $0 peut être écrit mais retourne toujours 0x00000000 lors de la lecture. Le registre $31 est utilisé implicitement (c.-à-d. que le matériel en impose l’utilisation et qu’il n’apparaît donc pas dans l’instruction) pour sauvegarder l’adresse de retour d’appels de foncions lors des instructions bgezal, bltzal, et jal ; pc , program counter ce registre contient l’adresse de l’instruction à exécuter. Sa valeur est modifiée par toutes les instructions ; ir , instruction register ce registre contient l’instruction en cours d’exécution. Il n’est pas directement accessible hi et lo ces registres contiennent le résultat de la multiplication sur 64 bits, ou le résultat de la division euclidienne (quotient dans lo et reste dans hi). registres du coprocesseur 0 ces registres concernent la gestion des exceptions, interruptions et appels systèmes. badvaddr , bad virtual address ce registre contient l’adresse fautive en cas d’exception de type « adresse illégale » ; status c’est le registre d’état. Il contient les masques d’interruption et le mode ; cause c’est le registre qui contient la cause de l’exception ; M IPS R3000 jeu d’instructions page - 4
Ensimag - Filières SLE/ISI $0 $pc $1 $ir $hi $31 $lo F IG . 1 – Registres généraux du M IPSR3000. epc , exception program counter ce registre contient l’adresse de retour en cas d’interruption et l’adresse de l’instruction fautive en cas d’exception ou d’appel système. Ces registres concernent la gestion de la mémoire virtuelle. TLB , Transaltion Lookaside Buffer c’est la mémoire associative pour la traduction adresse virtuelle vers adresse physique ; index registre contenant l’index de la TLB dans lequel faire les accès ; random registre contenant un index aléatoire valide pour les accès à la TLB ; context registre utilisé partiellement par le logiciel (une partie sert à pointer sur la structure des pages du système d’exploitation) et par le matériel (l’autre partie contient les poids forts de l’adresse fautive lors d’une traduction qui échoue) pour faciliter l’écriture en logiciel de la gestion de la mémoire virtuelle ; entryhi et entrylo valeur à comparer aux entrées de la TLB pour savoir s’il y a une erreur de page (page fault). entryhi 10 entrylo 2 index 0 status 12 random 1 cause 13 TLB context 4 epc 14 badvaddr 8 prid 15 F IG . 2 – Registres du coprocesseur 0 du M IPSR3000. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 5
Ensimag - Filières SLE/ISI 2) Adressage mémoire Toutes les adresses émises par le processeur sont des adresses octet (byte), codées sur 32 bits. Le processeur peut lire des instructions (32 bits), des mots (32 bits), des demi-mots (16 bits) et des octets (8 bits). Il peut écrire des mots, des demi-mots et des octets. Les adresses des mots et les instructions doivent être des multiples de 4, et celles des demi-mots doivent être des multiples de 2. Un accès à une adresse non alignée génère une exception. Il n’y a qu’un seul mode d’adressage, qui est le mode « indirect registre ». L’adresse effective est a = $i + offset. Ou $i est n’importe quel registre général et offset un immédiat sur 16 bits étendu de signe. L’immédiat se trouve dans les 16 bits de poids faible du registre ir. La conversion des adresses virtuelles vers les adresses physiques se fait grâce à une table de translation d’adresses totalement associative. Le cache est en adresses physiques. 0xFFFFFFFF 1 Giga octets kseg2 Traduites 0xc0000000 Cachées 0xbFFFFFFF 0.5 Giga octets segment kseg1 Non traduites 0xa0000000 Non cachées noyau 0x9FFFFFFF 0.5 Giga octets kseg0 Non traduites 0x80000000 Cachées 0x7FFFFFFF 2 Giga octets segment kuseg Traduites Cachées utilisateur 0x00000000 F IG . 3 – Segmentation mémoire du M IPSR3000. D) Reset, appels systèmes, interruptions et exceptions 1) Fonctionnement Ces actions passent toutes en mode noyau. Le reset à lieu lors de la mise sous tension du processeur, ou lors de la mise à zéro de la broche reset. Le registre pc prend la valeur 0xbfc00000, les interruptions sont masquées, le registre random prend la valeur du dernier index de la TLB et les interruptions sont masqués par action sur le registre status. Les « appels systèmes » correspondent à des services fournies par le noyau auxquels on accède grâce aux deux instructions syscall et break. Le registre pc prend la valeur 0x80000080, et les interruptions sont masquées. Le registre epc contient l’adresse de l’instruction qui à causé l’appel système. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 6
Ensimag - Filières SLE/ISI TAB . 1 – Raisons des déroutements Int 0x0 interruption. MOD 0x1 modification de TLB. Cette exception est levée lorsque que l’adresse virtuelle d’une écriture correspond à une entrée de la TLB marqué non-inscriptible ; TLBL 0x2 rechargement de la TLB. Indique que le système d’ex- ploitation doit recharger la TLB pour effectuer une lec- ture ; TLBS 0x3 rechargement de la TLB. Indique que le système d’ex- ploitation doit recharger la TLB pour effectuer une écriture ; AdEL 0x4 erreur d’adressage lors de la lecture d’une donnée ou d’une instruction ; AdES 0x5 erreur d’adressage lors de l’écriture d’une donnée ; IBE 0x6 erreur lors d’un accès mémoire pour la lecture d’une instruction ; DBE 0x7 erreur lors d’un accès mémoire pour la lecture ou l’écriture d’une donnée ; Sys 0x8 appel système ; Bp 0x9 point d’arrêt ; RI 0xA instruction inconnue (ou réservée) ; CpU 0xB tentative avortée d’accès à un coprocesseur ; Ovf 0xC dépassement de capacité lors d’un calcul arithmétique. Les interruptions matérielles sont des évènements asynchrones déclenchés par la mise à 1 d’une broche du processeur. Il y a 6 broches d’interruption sur le M IPS, et elles sont masquables soit individuellement soit collectivement par action sur le registre status. L’interruption doit être maintenue par le périphérique tant qu’elle n’a pas été acquittée. Le registre pc prend la valeur 0x80000080, et les interruptions sont masquées. L’instruction en cours d’exécution lors d’une interruption est achevée, puis le programme est dérouté. Le registre epc contient l’adresse de l’instruction qui suit l’instruction durant laquelle l’interruption a été levée. Il existe également deux interruptions logicielles, qui sont levées par la mise à 1 d’un bit dans le registre cause, et donc le comportement est identique aux interruptions matérielles. Les exceptions sont des évènements synchrones liés à la mauvaise exécution d’une instruction. Le registre pc prend la valeur 0x80000080 dans le cas général, ou 0x80000000 dans certain cas particulier liés à la gestion de la mémoire virtuelle. les interruptions sont masquées, et le registre epc contient l’adresse de l’instruction fautive, ce qui permet d’émettre des diagnostiques. Si une des ces actions à lieu dans une instruction qui suit un branchement, ce n’est pas l’adresse de l’instruc- tion qui est mise dans epc, mais celle du branchement, et le bit bd du registre cause est mis à 1. 2) Détail des registres liés aux exceptions autres que celles relatives à la gestion de la mémoire virtuelle Ces registres ne sont accessibles que par les instructions mfc0 et mtc0, qui elles mêmes ne sont utilisables qu’en mode noyau. Les registres ci-dessous sont mis à jour lors d’un déroutement. Les mécanismes à mettre en œuvre lorsque la gestion de la mémoire virtuelle est concernée sont complémentaires, et présentés dans la section suivante. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 7
Ensimag - Filières SLE/ISI Registre status($12 du coprocesseur 0, accessible en lecture/écriture) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 CU3 CU2 CU1 CU0 0 BEV 0 HIM5 HIM4 HIM3 HIM2 HIM1 HIM0 SIM1 SIM0 0 KUo IEo KUp IEp KUc IEc CUi coprocessor usable. Ces 4 bits sont des bits de présence des coprocesseurs. Le M IPSde base n’en comporte qu’un, CP0. D’autres implantations peuvent en avoir jusqu’à trois autres. Un bit à 1 indique que le coprocesseur est utilisable ; BEV bootstrap exception vector. Ce bit définit l’adresse du gestionnaire d’interruption. Les dif- férents cas, en fonction de BEV et de la cause du déroutement sont tabulés ici. BEV cause adresse x reset 0xbfc00000 0 !reset && !TLB refill 0x80000080 0 !reset && TLB refill 0x80000000 1 !reset && !TLB refill 0xbfc00180 1 !reset && TLB refill 0xbfc00100 HIMi , SIMi hardware and software interrupt mask. Ces bits contrôlent individuellement le fait qu’une cer- taine ligne d’interruption puisse interrompre le processeur. Un et logique avec les bits d’interruption en attente dans le registre cause permet au logiciel de connaître les interruptions actives. Un bit à 1 autorise l’interruption ; KU kernet/user. Indique le mode d’exécution. Un 0 indique le mode noyau, un 1 le mode utilisateur ; IE interrupt enable. Autorise ou inhibe toutes les interruptions. Un 0 masque les interruptions, un 1 les autorise. Lors d’un déroutement, le registre status est modifié par le matériel. Les bits KUo et IEo sont perdus. Les bits KUp et IEp sont copiés dans KUo et IEo . Les bits KUc et IEc sont copiés dans KUp et IEp . Les bits KUc et IEc sont mis à zéro. Le suffixe indique donc le niveau d’imbrication des déroutements : c signifie current, p previous et o old. L’opération à peu près inverse est effectuée sur le registre status lors de l’exécution de l’instruction rfe : les bits KUp et IEp sont copiés dans KUc et IEc , et les bits KUo et IEo sont copiés dans KUp et IEp . Registre cause($13 du coprocesseur 0, accessible en lecture) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 BD 0 CE 0 HIP5 HIP4 HIP3 HIP2 HIP1 HIP0 SIP1 SIP0 0 EXCODE 0 BD branch delay. Ce bit est à 1 si l’exception ou l’interruption a été levée dans le delayed slot d’un branche- ment ; CE coprocessor error. Indique le numéro du coprocesseur en erreur sur une exception de type CpU ; HIPi , SIPi hardware and software interrupt pending. Ces bits reflètent l’état des lignes d’interruption. Un et logique avec les bits de masque d’interruption du registre status permet au logiciel de connaître les interruptions actives. Un 1 signifie que l’interruption est présente sur la ligne ; EXCODE exception code. Code indiquant la raison pour laquelle le déroutement a eu lieu. La valeur du code sur 4 bits est donnée par la table 1. Registre epc($14 du coprocesseur 0, accessible en lecture) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 EPC M IPS R3000 jeu d’instructions page - 8
Ensimag - Filières SLE/ISI EPC exception program counter. Ce registre contient l’adresse à laquelle doit reprendre l’exécution après une interruption. Pour les exceptions, il contient soit l’adresse de l’instruction qui a causé l’interruption, si le bit BD du registre cause est à zéro, soit l’adresse du branchement qui précède immédiatement cette instruction si BD est à 1. Registre badvaddr($8 du coprocesseur 0, accessible en lecture) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 BVA BVA bad virtual address. Ce registre contient l’adresse à laquelle doit reprendre l’exécution après une inter- ruption. Pour les exceptions, il contient soit l’adresse de l’instruction qui a causé l’interruption, si le bit BD du registre cause est à zéro, soit l’adresse du branchement qui précède immédiatement cette instruction si BD est à 1. E) Gestion de la mémoire virtuelle La gestion de la mémoire virtuelle est intimement liée aux exceptions, car la possibilité d’exécuter du code est directement lié à la présence physique des données et des instructions, et ne doit en rien être visible du programmeur d’applications. Le chargement des pages doit donc être géré de manière transparente vis-à-vis du programme qui s’exécute par le système d’exploitation. L’objectif de la mémoire virtuelle est de rendre disponible à un programme donné tout l’espace adressable par le M IPS, même si la mémoire physique est d’une part partagée par plusieurs programmes et d’autre part de taille inférieure à 232 (ou 264 sur les machines 64 bits). Il y a donc 2 idées derrière la mémoire virtuelle : 1. pouvoir partager l’espace mémoire physique entre divers processus sans qu’ils se perturbent les uns les autres (c’est la différence entre un process et un thread dans l’acception Unixienne de ces termes) ; 2. rendre accessible la totalité de l’espace adressable à un processus. Pour ce faire, a) la mémoire (physique ou virtuelle) est découpée en pages, b) chaque processus reçoit un identifiant unique parmi tous les processus connus du processeur, et c) le disque est utilisé pour sauver les pages de mémoire physique qui sont utilisées plusieurs fois à des dates différentes (qu’elles appartiennent au même processus ou à différents processus). La traduction associe, à un instant t, une adresse (de page) physique à un couple (identifiant de processus, adresse (de page) virtuelle). Dans le M IPSR3000, les mécanismes nécessaires pour garantir la gestion cohé- rente de ces traductions (par ex., s’il n’y a plus de pages physiques libres, il faut en évincer une sur le disque (le swap) et la réaffecter temporairement à un nouveau couple ((identifiant de processus, adresse virtuelle)) reposent complètement sur le logiciel. Ces aspects seront étudiés dans le cours de Système d’exploitation. Néanmoins, comme l’exécution doit être transparente aux programmes applicatifs, le matériel doit détecter l’absence d’une page en mémoire physique et donner suffisamment d’information au système d’exploitation pour effectuer sa gestion de manière cohérente. Pour ce faire, le M IPSR3000 possède une table de traduction (Translation Lookaside Buffer ou TLB) de 64 entrées de 64 bits. Cette table permet d’associer une adresse de page physique à un couple (identifiant de processus, adresse virtuelle). Il se peut que, vu sa petite taille, la table ne contienne pas l’information nécessaire à la traduction. Dans ce cas une exception de type TLB refill (TLBL ou TLBS) est levée, et c’est au M IPS R3000 jeu d’instructions page - 9
Ensimag - Filières SLE/ISI système d’exploitation d’aller la mettre à jour. Notez que le système peut lui même avoir une des pages le concernant évincée, ce qui va lever un nouveau TLB refill durant la gestion du précédent TLB refill. Le support spécifique fourni par le M IPSdans ce cas est que l’adresse du gestionnaire d’exception est différente dans les 2 cas, car l’écriture d’un gestionnaire de rechargement réentrant n’est simplement pas possible, puisque ce sont des variables globales qui sont utilisées. Format du couple (identifiant, adresse virtuelle) : 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ASID VPN OFFSET ASID address space identifier. L’identifiant du processus dont il est question ici n’est pas le process id obtenu par getpid (2), mais un nombre sur 6 bits (car log2 64 = 6) calculé par le système d’exploitation uniquement pour la gestion de la TLB ; VPN virtual page number. Ces 20 bits représentent le numéro de page virtuelle. Il y a donc 220 , soit 1 Mega, pages virtuelles. Les 3 bits de poids fort de l’adresse définissent le type de traduction à effectuer (voir la figure 3). Les adresses dans les segments kseg0 et kseg1 ne subissent pas la traduction d’adresse standard. Une adresse a de kseg0 sera émise sur le bus comme a - Ox80000000, et une adresse a de kseg1 sera émise sur le bus comme a - Oxa0000000 ; OFFSET ces 12 bits représentent le déplacement dans la page sont passés sans modification sur le bus mémoire. La taille de la page est de 212 , soit 4 Kilo. Les entrées de la TLB sont sur 64 bits, et correspondent à la concaténation des registres entryhi et entrylo. Ne sont donc ici décrit que ces 2 registres. Registre entryhi($10 du coprocesseur 0, accessible en lecture/écriture) : 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 VPN ASID 0 VPN virtual page number. Les 20 bits de poids fort de l’adresse virtuelle ; ASID address space identifier. L’identifiant du processus qui permet de savoir si deux adresses virtuelles identiques appartiennent à deux processus différents ou non. Registre entrylo($2 du coprocesseur 0, accessible en lecture/écriture) : 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 PFN NDVG 0 PFN page frame number. Les 20 bits de poids fort de l’adresse physique. Si la traduction d’adresse est valide, alors les bits de PFN sont substitué à ceux de VPN dans le cycle ; N non cachable. L’accès mémoire se fait sans passer par le cache ; D dirty. Si ce bit est à 0, la page est protégée en écriture, et un accès en écriture dans la page lèvera l’exception MOD. Ceci permet au système d’exploitation de gérer des zones en lecture seulement (comme le code ou les constantes d’un programme par exemple) ; V valid. Indique que l’entrée dans la TLB est valide. Si ce bit est à zéro, une exception de type TLBS ou TLBL est levée ; G global. La translation d’adresse se fait en ignorant purement et simplement le champs ASID lors de la traduction. Registre index($0 du coprocesseur 0, accessible en lecture/écriture) : 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 PF 0 INDEX 0 PF probe failure. Ce bit est mis à un si l’instruction tlbp n’a pas détecté d’entrée valide dans la TLB ; M IPS R3000 jeu d’instructions page - 10
Ensimag - Filières SLE/ISI INDEX index de l’entrée de la TLB qui sera affectée par les instructions tlbr et tlbw. Registre random($1 du coprocesseur 0, accessible en lecture) : 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 RANDOM 0 RANDOM index de l’entrée de la TLB qui sera affectée par l’instruction tlbwr. Cet index est compris entre 8 et 63. Les 7 premiers index peuvent donc être réservés à des usages spécifiques par le système d’exploitation. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 11
Ensimag - Filières SLE/ISI F) Instructions Une instruction M IPSest un mot de 32 bits. Il y a trois catégories (formats) d’instruction : 31 2625 2120 1615 1110 65 0 Format R : opcode rs rt rd sh func Format I : opcode rs rt imm16 Format J : opcode imm26 Dans ce qui suit, nous notons rd la valeur du champs rd, c’est à dire un entier entre 0 et 31 car rd est codé sur 5 bits, et indiquons par $rd le registre indexé par ce champs. Si $rd est le membre de gauche d’une affectation, alors nous en imposons la valeur, si il fait parti du membre de droite, nous en lisons la valeur. Nous ne pouvons en aucun cas modifier rd qui est une constante décidée lors de la compilation. Notons qu’un registre source peut être le registre destination d’une même instruction assembleur. Un opérande immédiat sera noté imm, et sa taille sera spécifié dans la description de l’instruction. Les instructions de saut prennent comme argument une étiquette, où label, qui est utilisée pour calculer l’adresse de saut. Toutes les instructions modifient implicitement ou explicitement un registre non accessible du logiciel, le program counter noté $pc. Pour lever l’ambiguïté liée aux calculs des sauts relatifs au $pc, nous noterons que l’adresse de l’instruction en cours d’exécution est toujours égale à $pc − 4, car $pc est incrémenté (pour passer à l’instruction suivante) en même temps que l’instruction à exécutée est chargée. Le $pc à droite d’une affectation est donc toujours égal à l’adresse de l’instruction courante plus 4. Attention : le M IPS R3000 est un processeur pipeline tel que l’instruction qui suit un branchement (relatif ou absolu) est toujours exécutée. On appel cet emplacement le delay slot et on dit que le branchement effectif est retardé d’une instruction. Le résultat d’une multiplication ou d’une division est mis dans deux registres spéciaux, $hi pour les poids forts (multiplication) ou le reste (division), et $lo pour les poids faibles (multiplication) ou le quotien (division). add format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 rs rt rd 00000 100000 action Addition registre registre signée syntaxe add $rd, $rs, $rt description Les contenus des registres $rs et $rt sont ajoutés pour former un résultat sur 32 bits qui est placé dans le registre $rd. opération $rd ← $rs + $rt exception génération d’une exception si dépassement de capacité. addi M IPS R3000 jeu d’instructions page - 12
Ensimag - Filières SLE/ISI format 31 26 25 21 20 16 15 0 001000 rs rt imm16 action Addition registre immédiat signée syntaxe addi $rt, $rs, imm description La valeur immédiate sur 16 bits subit une extension de signe, et est ajoutée au contenu du registre $rs pour former un résultat sur 32 bits qui est placé dans le registre $rt. Cette instruction est aussi utilisée pour faire une soustraction en utilisant un immédiat dont le bit de poids (15) fort est à 1. opération $rt ← imm16 15 k imm15...0 + $rs exception génération d’une exception si dépassement de capacité. addiu format 31 26 25 21 20 16 15 0 001001 rs rt imm16 action Addition registre immédiat non-signée syntaxe addiu $rt, $rs, imm description La valeur immédiate sur 16 bits subit une extension de signe, et est ajoutée au contenu du registre $rs pour former un résultat sur 32 bits qui est placé dans le registre $rt. Cette instruction est aussi utilisée pour faire une soustraction en utilisant un immédiat dont le bit de poids (15) fort est à 1. opération $rt ← imm16 15 k imm15...0 + $rs addu format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 rs rt rd 00000 100001 action Addition registre registre non-signée syntaxe addu $rd, $rs, $rt description Les contenus des registres $rs et $rt sont ajoutés pour former un résultat sur 32 bits qui est placé dans le registre $rd. opération $rd ← $rs + $rt and M IPS R3000 jeu d’instructions page - 13
Ensimag - Filières SLE/ISI format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 rs rt rd 00000 100100 action Et bit-à-bit registre registre syntaxe and $rd, $rs, $rt description Un et bit-à-bit est effectué entre les contenus des registres $rs et $rt. Le résultat est placé dans le registre $rd. opération $rd ← $rs and $rd andi format 31 26 25 21 20 16 15 0 001100 rs rt imm16 action Et bit-à-bit registre immédiat syntaxe andi $rt, $rs, imm description La valeur immédiate sur 16 bits subit une extension de zéros. Un et bit-à-bit est effectué entre cette valeur étendue et le contenu du registre $rs pour former un résultat placé dans le registre $rt. opération $rt ← 016 k imm and $rs beq format 31 26 25 21 20 16 15 0 000100 rs rt imm16 action Branchement si registre égal registre syntaxe beq $rs, $rt, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur immé- diate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Le contenu des registres $rs et $rt sont comparés. S’ils sont égaux, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. opération $addr ← $pc + imm1415 k imm k 0 2 $rs = $rt ⇒ $pc ← $addr bgez format 31 26 25 21 20 16 15 0 000001 rs 00001 imm16 M IPS R3000 jeu d’instructions page - 14
Ensimag - Filières SLE/ISI action Branchement si registre supérieur ou égal à zéro syntaxe bgez $rs, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur im- médiate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Si le contenu du registre $rs a son bit de signe à zéro, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. opération $addr ← $pc + imm1415 k imm k 0 2 $rs31 = 0 ⇒ $pc ← $addr bgezal format 31 26 25 21 20 16 15 0 000001 rs 10001 imm16 action Branchement à une fonction si registre supérieur ou égal à zéro syntaxe bgezal $rs, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur im- médiate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Inconditionnellement, l’adresse de l’instruction suivant le bgezal est sauvée dans le registre $31. Si le contenu du registre $rs à son bit de signe à zéro, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. opération $addr ← $pc + imm1415 k imm k 0 2 $31 ← $pc $rs31 = 0 ⇒ $pc ← $addr bgtz format 31 26 25 21 20 16 15 0 000111 rs 00000 imm16 action Branchement si registre strictement supérieur à zéro syntaxe bgtz $rs, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur immé- diate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Si le contenu du registre $ri à son bit de signe à zéro et qu’il ne vaut pas zéro, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. opération $addr ← $pc + imm14 15 k imm k 0 2 $rs31 = 0 ∧ $rs 6= 0 ⇒ $pc ← $addr M IPS R3000 jeu d’instructions page - 15
Ensimag - Filières SLE/ISI blez format 31 26 25 21 20 16 15 0 000110 rs 00000 imm16 action Branchement si registre inférieur ou égal à zéro syntaxe blez $rs, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur immé- diate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Si le contenu du registre $rs à son bit de signe à un et qu’il ne vaut pas zéro, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. opération $addr ← $pc + imm14 15 k imm k 0 2 $rs31 = 1 ∧ $rs 6= 0 ⇒ $pc ← $addr bltz format 31 26 25 21 20 16 15 0 000001 rs 00000 imm16 action Branchement si registre strictement inférieur à zéro syntaxe bltz $rs, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur im- médiate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Si le contenu du registre $rs à son bit de signe à zéro, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. opération $addr ← $pc + imm1415 k imm k 0 2 $rs31 = 1 ⇒ $pc ← $addr bltzal format 31 26 25 21 20 16 15 0 000001 rs 10000 imm16 action Branchement à une fonction si registre supérieur ou égal à zéro syntaxe bltzal $rs, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur im- médiate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Inconditionnellement, l’adresse de l’instruction suivant le bgezal est sauvée dans le registre $31. Si le contenu du registre $rs à son bit de signe à un, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 16
Ensimag - Filières SLE/ISI opération $addr ← $pc + imm1415 k imm k 0 2 $31 ← $pc $rs31 = 1 ⇒ $pc ← $addr bne format 31 26 25 21 20 16 15 0 000101 rs rt imm16 action Branchement si registre différent de registre syntaxe bne $rs, $rt, imm description L’adresse de branchement est la somme de l’adresse de l’instruction courante plus la valeur im- médiate sur 16 bits, avec extension de signe, décalée à gauche de 2 bits. Le contenu des registres $rs et $rt sont comparés. S’ils sont différents, le programme saute à l’adresse précédemment calculée. opération $addr ← $pc + imm14 15 k imm k 0 2 $rs 6= $rt ⇒ $pc ← $addr break format 31 26 25 6 5 0 000000 code 001101 action Arrêt et saut à la routine d’exception syntaxe break code description Un point d’arrêt est detecté, et le programme saute à l’adresse de la routine de gestion des excep- tions. Le champs code est utilisable par le logiciel pour identifier le type de point d’arrêt. opération pc ← 0x80000080 exception Déclenchement d’une exception de type point d’arrêt. div format 31 26 25 21 20 16 15 6 5 0 000000 rs rt 0000000000 011010 action Division entière et reste signé registre registre syntaxe div $rs, $rt M IPS R3000 jeu d’instructions page - 17
Ensimag - Filières SLE/ISI description Le contenu du registre $rs est divisé par le contenu du registre $rt, le contenu des deux registres étant considéré comme des nombres en complément à deux. Le résultat de la division est placé dans le registre spécial $lo, et le reste dans $hi. La division est une opération multicycles. opération $lo ← $rs $rt $hi ← $rs mod $rt divu format 31 26 25 21 20 16 15 6 5 0 000000 rs rt 0000000000 011011 action Division entière et reste non-signé registre registre syntaxe divu $rs, $rs description Le contenu du registre $rs est divisé par le contenu du registre $rt, le contenu des deux registres étant considéré comme des nombres non signés. Le résultat de la division est placé dans le registre spécial $lo, et le reste dans $hi. opération $lo ← 0k$rs 0k$rt $hi ← 0 k $rs mod 0 k $rt j format 31 26 25 0 000010 imm26 action Branchement inconditionnel immédiat syntaxe j imm description L’adresse de saut est calculée à partir de la valeur immédiate sur 26 bits, décalée à gauche de 2 bits, en recopiant les bits 32 à 28 du $pc de l’instruction courante. Le programme saute incondi- tionnellement à l’adresse ainsi calculée. opération $pc ← $pc31...28 k imm k 02 jal format 31 26 25 0 000011 imm26 action Appel de fonction inconditionnel immédiat syntaxe jal imm M IPS R3000 jeu d’instructions page - 18
Ensimag - Filières SLE/ISI description L’adresse de saut est calculée à partir de la valeur immédiate sur 26 bits, décalée à gauche de 2 bits, en recopiant les bits 32 à 28 du $pc de l’instruction courante. L’adresse de l’instruction suivant le jal est sauvée dans le registre $31. Le programme saute inconditionnellement à l’adresse ainsi calculée. opération $31 ← $pc $pc ← $pc31...28 k imm k 02 jalr format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 rs 00000 rd 00000 001001 action Appel de fonction inconditionnel registre syntaxe jalr $rs ou jalr $rd, $rs description Le programme saute à l’adresse contenue dans le registre $rs. L’adresse de l’instruction suivant le jalr est sauvée dans le registre $rd. Si le registre $rd n’est pas spécifié, alors l’assembleur y mettra par défaut le registre $31. Attention, l’adresse contenue dans le registre $rs doit être aligné sur une frontière de mots. opération $rd ← $pc $pc ← $rs jr format 31 26 25 21 20 6 5 0 000000 rs 000000000000000 001000 action Branchement inconditionnel registre syntaxe jr $rs description Le programme saute à l’adresse contenue dans le registre $ri. Attention, cette adresse doit être aligné sur une frontière de mots. opération $pc ← $rs lb format 31 26 25 21 20 16 15 0 100000 rs rt imm16 action Lecture d’un octet signé de la mémoire M IPS R3000 jeu d’instructions page - 19
Ensimag - Filières SLE/ISI syntaxe lb $rt, imm($rs) description L’adresse de chargement est la somme de la valeur immédiate sur 16 bits, avec extension de signe, et du contenu du registre $rs. Le contenu de cette adresse subit une extension de signe et est ensuite placé dans le registre $rt. opération $rt ← mem1 [imm + $rs]24 7 k mem1 [imm + $rs]7...0 exception – Adresse de chargement en segment noyau alors que le code tourne avec le bit utilisateur ; – Mémoire inexistante à l’adresse de chargement. lbu format 31 26 25 21 20 16 15 0 100100 rs rt imm16 action Lecture d’un octet non-signé de la mémoire syntaxe lbu $rt, imm($rs) description L’adresse de chargement est la somme de la valeur immédiate sur 16 bits, avec extension de signe, et du contenu du registre $rs. Le contenu de cette adresse est étendu avec des zéro et est ensuite placé dans le registre $rt. opération $rt ← 024 k mem1 [imm + $rs]7...0 – Adresse de chargement en segment noyau alors que le code tourne avec le bit utilisateur ; – Mémoire inexistante à l’adresse de chargement. lh format 31 26 25 21 20 16 15 0 100001 rs rt imm16 action Lecture d’un demi-mot signé de la mémoire syntaxe lh $rt, imm($rs) description L’adresse de chargement est la somme de la valeur immédiate sur 16 bits, avec extension de signe, et du contenu du registre $rs. Le contenu de cette adresse subit une extension de signe et est ensuite placé dans le registre $rt. Attention, le bit de poids faible de l’adresse résultante doit être à zéro. opération $rt ← mem2 [imm + $rs]16 15 k mem2 [imm + $rs]15...0 M IPS R3000 jeu d’instructions page - 20
Ensimag - Filières SLE/ISI exceptions – Adresse non alignée sur une frontière de demi-mot. ; – Adresse de chargement en segment noyau alors que le code tourne avec le bit utilisateur ; – Mémoire inexistante à l’adresse de chargement. lhu format 31 26 25 21 20 16 15 0 100101 rs rt imm16 action Lecture d’un demi-mot non-signé de la mémoire syntaxe lhu $rt, imm($rs) description L’adresse de chargement est la somme de la valeur immédiate sur 16 bits, avec extension de signe, et du contenu du registre $rs. Le contenu de cette adresse est étendu avec des zéro et est ensuite placé dans le registre $rt. Attention, le bit de poids faible de l’adresse résultante doit être à zéro. opération $rt ← 016 k mem2 [imm + $rs]15...0 exceptions – Adresse non alignée sur une frontière de demi-mot. ; – Adresse de chargement en segment noyau alors que le code tourne avec le bit utilisateur ; – Mémoire inexistante à l’adresse de chargement. lui format 31 26 25 21 20 16 15 0 001111 00000 rt imm16 action Lecture d’une constante dans les poids forts syntaxe lui $rt, imm description La constante immédiate de 16 bits est décalée de 16 bits à gauche, et est complétée de zéro. La valeur ainsi obtenue est placée dans $rt. opération $rt ← imm k 016 lw format 31 26 25 21 20 16 15 0 100011 rs rt imm16 action Lecture d’un mot de la mémoire M IPS R3000 jeu d’instructions page - 21
Ensimag - Filières SLE/ISI syntaxe lw $rt, imm($rs) description L’adresse de chargement est la somme de la valeur immédiate sur 16 bits, avec extension de signe, et du contenu du registre $rs. Le contenu de cette adresse est placé dans le registre $rt. Attention, les deux bits de poids faible de l’adresse résultante doivent être à zéro. opération $rt ← mem4 [imm + $rs] exceptions – Adresse non alignée sur une frontière de mot ; – Adresse de chargement en segment noyau alors que le code tourne avec le bit utilisateur ; – Mémoire inexistante à l’adresse de chargement. mfc0 format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 0 010000 00000 rt rd 0000000000 action Copie d’un registre spécialisé dans d’un registre général syntaxe mfc0 $rt, $rd description Le contenu du registre spécialisé $rd — non directement accessible au programmeur — est reco- pié dans le registre général $rt. Les registres possibles pour $rd sont ceux du coprocesseur 0 qui servent à la gestion des exceptions et interruptions. opération $rt ← copro0 [$rd] exception – Utilisation de l’instruction en mode utilisateur. mfhi format 31 26 25 16 15 11 10 6 5 0 000000 0000000000 rd 00000 010000 action Copie le registre $hi dans un registre général syntaxe mfhi $rd description Le contenu du registre spécialisé $hi — qui est mis à jour par l’opération de multiplication ou de division — est recopié dans le registre général $rd. opération $rd ← $hi M IPS R3000 jeu d’instructions page - 22
Ensimag - Filières SLE/ISI mflo format 31 26 25 16 15 11 10 6 5 0 000000 0000000000 rd 00000 010010 action Copie le registre $lo dans un registre général syntaxe mflo $rd description Le contenu du registre spécialisé $lo — qui est mis à jour par l’opération de multiplication ou de division — est recopié dans le registre général $rd. opération $rd ← $lo mtc0 format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 0 010000 00100 rt rd 0000000000 action Copie d’un registre général dans un registre spécialisé syntaxe mtc0 $rt, $rd description Le contenu du registre général $rt est recopié dans le registre spécialisé $rd — non directement accessible au programmeur —. Ces registres sont ceux du coprocesseur 0 qui servent à la gestion des exceptions et interruptions. opération copro0 [$rd] ← $rt mthi format 31 26 25 21 20 6 5 0 000000 rs 000000000000000 010001 action Copie d’un registre général dans le registre $hi syntaxe mthi $rs description Le contenu du registre général $rs est recopié dans le registre spécialisé $hi. opération $hi ← $rs mtlo format 31 26 25 21 20 6 5 0 000000 rs 000000000000000 010011 M IPS R3000 jeu d’instructions page - 23
Ensimag - Filières SLE/ISI action Copie d’un registre général dans le registre $lo syntaxe mtlo $rs description Le contenu du registre général $rs est recopié dans le registre spécialisé $lo. opération $lo ← $rs mult format 31 26 25 21 20 16 15 6 5 0 000000 rs rt 0000000000 001110 action Multiplication signé registre registre syntaxe mult $rs, $rt description Le contenu du registre $rs est multiplié par le contenu du registre $rs, le contenu des deux registres étant considéré comme des nombres en complément à deux. Les 32 bits de poids fort du résultat sont placés dans le registre $hi, et les 32 bits de poids faible dans $lo. La multiplication est une opération multicycles. opération $lo ← ($rs × $rt)31...0 $hi ← ($rs × $rt)63...32 multu format 31 26 25 21 20 16 15 6 5 0 000000 rs rt 0000000000 011000 action Multiplication signé registre registre syntaxe multu $rs, $rt description Le contenu du registre $rs est multiplié par le contenu du registre $rt, le contenu des deux registres étant considéré comme des nombres non-signés. Les 32 bits de poids fort du résultat sont placés dans le registre $hi, et les 32 bits de poids faible dans $lo. La multiplication est une opération multicycles. opération $lo ← (0 k $rs × 0 k $rt)31...0 $hi ← (0 k $rs × 0 k $rt)63...32 nor format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 100111 000000 rs rt rd 000000 00000 M IPS R3000 jeu d’instructions page - 24
Ensimag - Filières SLE/ISI action Non-ou bit-à-bit registre registre syntaxe nor $rd, $rs, $rt description Un non-ou bit-à-bit est effectué entre les contenus des registres $rs et $rt. Le résultat est placé dans le registre $rd. opération $rd ← $rs nor $rt or format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 100101 000000 rs rt rd 000000 00000 action Ou bit-à-bit registre registre syntaxe or $rd, $rs, $rt description Un ou bit-à-bit est effectué entre les contenus des registres $rs et $rs. Le résultat est placé dans le registre $rd. opération $rd ← $rs or $rt ori format 31 26 25 21 20 16 15 0 001101 rs rt imm16 action Ou bit-à-bit registre immédiat syntaxe ori $rt, $rs, imm description La valeur immédiate sur 16 bits subit une extension de zéros. Un ou bit-à-bit est effectué entre cette valeur étendue et le contenu du registre $rs pour former un résultat placé dans le registre $rt. opération $rt ← (016 k imm) or $rs rfe format 31 26 25 24 6 5 0 010000 1 00000000000000000000 010000 action Restauration des bits d’état en fin d’exception syntaxe rfe M IPS R3000 jeu d’instructions page - 25
Ensimag - Filières SLE/ISI description Recopie les anciennes valeurs des bits de masques d’interruption et de mode (noyau ou utilisateur) du registre d’état — un des registres spécialisé — à la valeur qu’il avait avant l’exécution du programme d’exception courant. opération $sr ← $sr31...4 k $sr5...2 exception Utilisation de l’instruction en mode utilisateur. sb format 31 26 25 21 20 16 15 0 101000 rs rt imm16 action Écriture d’un octet en mémoire syntaxe sb $rt, imm($rs) description L’adresse d’écriture est la somme de la valeur immédiate sur 16 bits, avec extension de signe, et du contenu du registre $rs. L’octet de poids faible du registre $rt est écrit à l’adresse ainsi calculée. opération mem1 [imm + $rs] ← $rt7...0 exceptions – Adresse de chargement en segment noyau alors que le code tourne avec le bit utilisateur ; – Mémoire inexistante à l’adresse de chargement. sh format 31 26 25 21 20 16 15 0 101001 rs rt imm16 action Écriture d’un demi-mot en mémoire syntaxe sh $rt, imm($rs) description L’adresse d’écriture est la somme de la valeur immédiate sur 16 bits, avec extension de signe, et du contenu du registre $rs. Les deux octets de poids faible du registre $rt sont écrit à l’adresse ainsi calculée. Le bit de poids faible de cette adresse doit être à zéro. opération mem2 [imm + $rs] ← $rt15...0 exceptions – Adresse non alignée sur une frontière de demi-mot ; M IPS R3000 jeu d’instructions page - 26
Ensimag - Filières SLE/ISI – Adresse de chargement en segment noyau alors que le code tourne avec le bit utilisateur ; – Mémoire inexistante à l’adresse de chargement. sll format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 00000 rt rd shamt 000000 action Décalage à gauche immédiat syntaxe sll $rd, $rt, shamt description Le registre $rt est décalé à gauche de la valeur immédiate codée sur 5 bits, des zéros étant introduits dans les bits de poids faibles. Le résultat est placé dans le registre $rd. opération $rd ← $rt31−shamt...0 k 0shamt sllv format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 rs rt rd 00000 000100 action Décalage à gauche registre syntaxe sllv $rd, $rt, $rs description Le registre $rt est décalé à gauche du nombre de bits spécifiés dans les 5 bits de poids faibles du registre $rs, des zéros étant introduits dans les bits de poids faibles. Le résultat est placé dans le registre $rr. opération $rd ← $rt31−$rs4...0 ...0 k 0$rs4...0 slt format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 rs rt rd 00000 101010 action Comparaison signée registre registre syntaxe slt $rd, $rs, $rt description Le contenu du registre $rs est comparé au contenu du registre $rt, les deux valeurs étant consi- dérées comme des quantités signées. Si la valeur contenue dans $rs est inférieure à celle contenue dans $rt, alors $rd prend la valeur un, sinon il prend la valeur zéro. opération $rs < $rt ⇒ $rd ← 031 k 1 $rs ≥ $rt ⇒ $rd ← 032 M IPS R3000 jeu d’instructions page - 27
Ensimag - Filières SLE/ISI slti format 31 26 25 21 20 16 15 0 001010 rs rt imm16 action Comparaison signée registre immédiat syntaxe slti $rt, $rs, imm description Le contenu du registre $rs est comparé à la valeur immédiate sur 16 bits qui à subit une extension de signe. Les deux valeurs étant considérées comme des quantités signées, si la valeur contenue dans $rs est inférieure à celle de l’immédiat étendu, alors $rt prend la valeur un, sinon il prend la valeur zéro. opération $rs < imm16 15 k imm ⇒ $rt ← 0 31 k1 $rs ≥ imm15 k imm ⇒ $rt ← 032 16 sltiu format 31 26 25 21 20 16 15 0 001011 rs rt imm16 action Comparaison non-signée registre immédiat syntaxe sltiu $rt, $rs, imm description Le contenu du registre $rs est comparé à la valeur immédiate sur 16 bits qui à subit une exten- sion de signe. Les deux valeurs étant considérées comme des quantités non-signées, si la valeur contenue dans $rs est inférieur à celle de l’immédiat étendu, alors $rt prend la valeur un, sinon il prend la valeur zéro. opération 0 k $rs < 0 k imm16 15 k imm ⇒ $rt ← 0 31 k1 0 k $rs ≥ 0 k imm15 k imm ⇒ $rt ← 032 16 sltu format 31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 000000 rs rt rd 00000 101011 action Comparaison non-signée registre registre syntaxe sltu $rd, $rs, $rt description Le contenu du registre $rs est comparé au contenu du registre $rt, les deux valeurs étant considé- rés comme des quantités non-signées. Si la valeur contenue dans $rs est inférieur à celle contenue dans $rt, alors $rd prend la valeur un, sinon il prend la valeur zéro. M IPS R3000 jeu d’instructions page - 28
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