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FRAMEWORK PER L'ESECUZIONE DI APPLICAZIONI ASSEMBLY SUL

MODELLO VERILOG DI UN SISTEMA DI ELABORAZIONE BASATO SUL

PROCESSORE eMIPS-sc

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MODELLO VERILOG DEL PROCESSORE

La gerarchia del modello verilog del sistema è la seguente:

testbench.v (istanza testbench)instructions_ROM.v (istanza InstrROM)data_RAM.v (istanza DataRAM)eMIPS_sc.v (istanza MIPS)

pc_reg.v (istanza PC)pc_adder.v (istanza NPC)....

MODELLO VERILOG DEL SISTEMA COMPLETO

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FRAMEWORK DI SVILUPPO (I)

SIMULATOREVERILOG

(MODELSIM)

CODICEASSEMBLY

MIPS(MODELLOVERILOG)

MEMORIAISTRUZIONI(MODELLOVERILOG)

INSTR ADDRESSES

BUS

INSTRUCTIONS

BUS

DATIINIZIALI

CONVERSIONE IN UNFORMATO LEGGIBILE

DAL SIMULATOREVERILOG (READMEMH)

MEMORIADATI

(MODELLOVERILOG)

DATA

BUS

DATA ADDRESSES

BUS

MIPSASSEMBLER

CON CONVERSIONE IN UNFORMATO LEGGIBILE DAL

SIMULATORE VERILOG(READMEMH)

fileinstructions.hex

filedata_RAM.hex

47FRAMEWORK DI SVILUPPO (II)

STRUTTURA DI FILE E DIRECTORY

eMIPS-sc_S3S1.mpfcompila.bateMIPS_S3.asmHEX

instructions.hexdata_ram.hex ASM

file eseguibili dell'assembler.....VERILOG

testbench_eMIPS_S3.vMemorieseMIPS-sc

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ESECUZIONE DI APPLICAZIONI SU SISTEMI EMBEDDED MIPS-based

SPECIFICA MISTA C-ASSEMBLY, UTILIZZO DELLA MEMORIA A BASSO LIVELLO,

CONVENZIONI DI CHIAMATA A SUBROUTINE

49INTERFACCIA HW/SW

L’utilizzo di programmi scritti in linguaggi ad alto livello (c/c++) sul processore di un sistema embedded richiede la specifica di una serie di informazioni supplementari (dimensione della memoria, partizionamento e mappa della memoria, routine di boot, routine di interrupt, ecc.) che non possono essere definite a livello di software c stesso, ma vanno definite a livello assembly-sistema operativo. Si rende necessaria l’integrazione di specifiche scritte a livelli diversi: c e assemblySi rende inoltre necessario la conoscenza della strategia usata dal compilatore c utilizzato (nel nostro caso il gcc 2.95.3) per la gestione a basso livello della memoria

50INTERFACCIA HW/SWPer fissare i primi concetti legati al funzionamento del compilatore e all'utilizzo dei tool di compilazione semplificati (compilatore + assembler) sviluppati per questo corso, utilizzeremo un semplice sistema processore-memoria senza perifericheLa microarchitettura MIPS che utilizzeremo è la MIPS-mc. L'architettura di memoria di Von Neumann: vi è una sola memoria condivisa da dati ed istruzioni

System

MIPS-mc

AddressesBus

Instructions / DataBuses

INSTRUCTIONS/ DATA

MEMORY

WriteEnable Signal

reset

globalclk

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GESTIONE DELLA MEMORIA PER I SISTEMI MONOPROGRAMMATI

IN MODALITA’ REALE

52INTERFACCIA HW/SW

CONVENZIONI PER LA GESTIONE DELLA MEMORIA

53INTERFACCIA HW/SW

Il compilatore utilizza la memoria dividendola in due parti: lo Stack e lo Heap.Lo stack è la porzione di memoria gestita automaticamente dal processore, inizia a partire dalle locazioni con indirizzo più alto e ha una dimensione variabile in funzione dello spazio di cui ha bisogno il programma. Lo heap è invece la zona di memoria gestita dinamicamente, con le funzioni malloc e calloc.Lo Heap inizia dalle locazioni di memoria più basse e si riempie verso locazioni di indirizzo più elevato. Non avendo a disposizione le funzioni di libreria malloc e calloc allocheremo i dati in memoria in maniera esplicita tramite i puntatori. Utilizzeremo inoltre una zona di memoria per il salvataggio dei dati relativi alle routine di interrupt o ad altre routine speciali. Chiameremo la memoria utilizzata in questo modo MEMORIA ALLOCATAMANUALMENTE (MAM)In un sistema di Von Neumann, la parte della memoria di indirizzi più bassi, da zero in poi, viene utilizzata per le istruzioni.

UTILIZZO DELLA MEMORIA (VERSIONE SEMPLIFICATA) (I)

54INTERFACCIA HW/SWUTILIZZO DELLA MEMORIA (VERSIONE SEMPLIFICATA) (II)

MAIN DATA

HEAP

STACK:MEMORIA AUTOMATICA

ALLOCATA DALCOMPILATORE

HEAP:MEMORIA DINAMICA

ALLOCATA DALCOMPILATORE TRAMITE

MALLOC O CALLOC

main FP

FUNC 1 DATA

FUNC 2 DATA

TOP OF MEMORY

M.A.M.

TEXT

locazione 0

MEMORIADATI

GESTITADAL

COMPILATORE

SPAZIOISTRUZIONI

M.A.M.

A partire dagli indirizzi di memoria più alti sta la funzione main, il compilatore alloca ricorsivamente lo spazio per le procedure allocando e disallocando zone di memoria.Ogni procedura ha a disposizione una zona di memoria privata definita frame di attivazione. Lo spazio dei frame di attivazione è lo stackLa memoria di tipo dinamico viene allocata a partire dagli indirizzi bassi e si espande verso quelli alti, a partire da un certo indirizzo in poi. La MAM si può allocare o fra lo heap (sotto lo heap) e la memoria istruzioni (sopra la mem istruzioni) oppure sopra lo stackPer sistemi a memoria condivisa fra dati ed istruzioni la parte più bassa della memoria è dedicata alle istruzioni.

55INTERFACCIA HW/SWMECCANISMO DI CHIAMATA DI PROCEDURA

Un opportuno sottoinsieme delle istruzioni dell'IS MIPS viene utilizzato per supportare la chiamata di una procedura (funzione), ed una volta terminata la sua esecuzione, il ritorno alla istruzione successiva alla chiamataOgni volta che deve essere convertita in assembly una chiamata a funzione viene utilizzata una istruzione che forza il salto all'indirizzo della prima istruzione della procedura, e simultaneamente salva quello dell'istruzione successiva nel registro $31. Tale istruzione è

jal label_proceduraOgni procedura deve terminare con una istruzione che forza il valore del PC all'indirizzo della istruzione successiva a quella di chiamata, cioèall'indirizzo salvato in $31. Tale istruzione è jr $31Per gestire la possibilità che una funzione ne chiami a sua volta un'altra, sovrascrivendo l'indirizzo di ritorno in $31, è necessario che questo venga salvato in memoriaE' necessaria una convenzione che definisca come salvare in memoria l'indirizzo di ritorno nonchè i parametri passati alla procedura, i dati locali, ecc.

56INTERFACCIA HW-SW

Quando viene eseguita una funzione viene riservata ad essa una porzione dello stack detta frame. La dimensione del frame dipende dal numero di dati relativi alla funzione che è necessario scrivere in memoria e può essere anche nulla se non ci sono dati da memorizzare. Le informazioni da memorizzare per ogni frame sono:

parametri della funzione invocata oltre il quarto (i primi quattro parametri sono salvati nei registri da $4 a $7)indirizzo di ritornodati locali della funzioneregistri temporanei che verranno sovrascritti durante l'esecuzione della funzione

GESTIONE DELLO STACK (I)

PARAMETRO N

PARAMETRO 5

FP DELLA FUNZ CHIAMANTE

INDIRIZZO DI RITORNOLOCAL DATA 1

LOCAL DATA N

VALORE SALVATO DI $8

VALORE SALVATO DI $n

PARAMETRIDELLA

FUNZIONE(oltre il quarto)

DATI LOCALIDELLA FUNZIONE

VALORE SALVATODEI REGISTRI

UTILIZZATIDURANTE

LA FUNZIONE

$30FRAME POINTER

$29STACK POINTER

Architetture dei Sistemi Embedded 2007/08 S.M. Carta

57INTERFACCIA HW-SWCONVENZIONE DI CHIAMATA DI PROCEDURA PER MIPS

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INTERFACCIA HW-SWGESTIONE DELLO STACK (II) ESEMPIO

void _main( void ) {

int a[2];int i;int *pointer;

pointer = (int*) 0x1000;

for( i=0; i<2; i++) a[i] = i;

*pointer = a[0]+a[1];}

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main:;# vars= 16, regs= 0/0, args= 0, extra= 0subu $sp,$sp,16li $3,1addu $2,$sp,4

$L6:sw $3,0($2)addu $2,$2,-4addu $3,$3,-1bgez $3,$L6lw $2,0($sp)lw $3,4($sp)#nopaddu $2,$2,$3sw $2,4096addu $sp,$sp,16j $31.end _main

..

INTERFACCIA HW-SW

alloca la memoria per il frame di attivazione del main. La dim minima è di 16 locazioni.

esegue il loop, usa $2 come puntatore alla locazione dell'elemento del vettore utilizzato ed $3 come indice per il conteggio. Calcola il valore degli elementi del vettore e li salva nello stack

carica gli elementi del vettore dallo stack, calcola la somma e la salva nella MAM

dealloca la memoria (frame di attivazione del main) e ripristina il PC

inizializza i registri che utilizzerà come indici

GESTIONE DELLO STACK (III) ESEMPIO

60INTERFACCIA HW-SW

Il frame viene gestito attraverso due registri che sono utilizzati come puntatori: lo Stack Pointer ($sp), che punta all’indirizzo della locazione più bassa del frame, e il Frame Pointer ($fp), che punta alla locazione più alta. Mentre il primo èindispensabile il secondo può in certi casi non essere utilizzato a seconda del compilatore, del livello di ottimizzazione utilizzato e del programma in esecuzione. Lo stack pointer serve da riferimento per accedere alle locazioni del frame: per esempio una scrittura su una locazione del frame verrà specificata con:

sw $31,20($sp)

Le informazioni sul numero di dati da salvare in memoria sono forniti dal compilatore come commenti nel programma assembly in uscita.

#vars indica il numero di locazioni utilizzate per memorizzare le variabili locali. Se non sono dichiarati arrays questo numero è nullo.#regs indica il numero di registri che devono essere salvati in memoria. In genere non ce ne sono se non viene invocata una funzione. #args indica il numero di locazioni destinate ai parametri di una funzione invocata. Se non viene invocata nessuna funzione questo numero è zero ma se viene invocata una funzione questo numero è sempre maggiore o uguale a 16, anche se la funzione invocata non ha parametri.

GESTIONE DELLO STACK (IV)

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INTERFACCIA HW-SW

All’inizio dell’esecuzione del programma lo Stack Pointer punta all’indirizzo successivo a quello più alto in memoria, perché lo stack deve occupare la memoria a partire dagli indirizzi più alti. Le prime istruzioni prodotte dal compilatore riguardano la gestione automatica di memoria e registri. Ogni funzione, se ha bisogno di dati da memorizzare, inizia con l’istruzione che fa scendere lo Stack Pointer in modo da allocare lo spazio sufficiente. Seguono eventualmente i salvataggi dei registri che saranno sovrascritti. La chiamata a funzione inizia sempre con un istruzione jal che porta il processore ad eseguire la prima istruzione della funzione chiamata. A questo punto viene creato un altro frame e così via. Alla fine di ogni funzione l’eventuale valore restituito viene scritto sul registro $2 o $3, vengono ripristinati i registri sovrascritti con i valori salvati in memoria e viene de-allocato il frame riportando lo stack pointer alla posizione che aveva prima della chiamata a funzione. Con l’istruzione

Jr $rasi torna alla funzione chiamante.

GESTIONE DELLO STACK (V)

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INTERFACCIA HW-SW

Anche il main viene gestito come una funzione qualunque. Ma come viene effettuata la chiamata al main?Nel caso di Sistema Operativo, vi saranno un assembler ed un linker che si occupano di gestire la cosa in maniera trasparente per il programmatoreNel nostro caso vogliamo che tutto sia gestito in maniera esplicita, non vi èun SO e neppure un vero linker. La chiamata del main viene eseguita tramite una specifica assembly separata codificata in un file detto file di bootTale file verrà unito alla traduzione assembly della specifica c dando vita ad una specifica assembly completa, su singolo file, che può essere tradotta in linguaggio macchina (cioè nel file di codifica delle locazioni di memoria dedicate alle istruzioni)

SPECIFICA C E BOOT FILE

63INTERFACCIA HW-SWFILE DI BOOT

J RESET_HANDLER

RESET_HANDLER: ; routine di inizializzazione del sistemali $29,0x3000; ; inizializzazione dello stack pointer

; fine della routine di inizializzazione

jal _main ; avvia l'esecuzione del programma principale

; La simulazione termina con il blocco del PCstop:j stop

Il file di boot che utilizzeremo inizialmente si occupa esclusivamente delle cose essenziali, vedremo in seguito delle specifiche più completeLa prima istruzione salta sempre alla routine di inizializzazione del sistema, che in questo caso consiste solo nell'inizializzazione dello stack pointerUna volta inizializzato il sistema viene eseguita la chiamata del mainQuando si vuole che lo stack allocato automaticamente dal compilatore si estenda a partire dalle locazioni di indirizzo massimo della memoria, il valore di inizializzazione dello stack pointer coincide con la dimensione della memoria