1. Karakteristike RISC procesora
format instrukcije
fiksna 32-bitna instrukcija
taktna frekvenca
do 1 GHz
polje registara
registra opšte namene, izdvojeni integer i float-point registri
broj instrukcija i tipovi
oko 100, najveći broj je registarski zasnovan sa izuzetkom Load/Store
adresni način rada
ograničen na 3-5, samo Load/Store adresiraju memoriju
dizajn keša
najveći broj koristi podeljeni keš za instrukcije i podatke
CPI, prosečni CPI
1 ciklus za jednostavne operacije, 1.5 ciklus u proseku
upravljačka jedinica CPU-a
najveći broj koristi direktno upravljanje bez upravljačke memorije
tipični reprezentativni procesori
Sun Ultra Spars, MIPS R10000, Power PC 604, HP PA-8000, Digital 21264

2. Arhitektura MIPS procesora
MIPS procesori su tipični predstavnici RISC koncepta sa Load/Store arhitekturom. To zapravo znači da se sve operacije izvršavaju nad operandima koji se nalaze u registrima na čipu, a memoriji se pristupa isključivo preko Load (memorija-registar) i Store (registar-memorija) instrukcija. Na taj način značajno se poboljšavaju performanse procesora jer je vreme pristupa memoriji znatno duže od vremena pristupa registrima.
Takođe, spoljnu magistralu MIPS procesora čine dve posebne magistrale, jedna za pristup instrukcijama, a druga za pristup podacima. Time se pristup podacima obavlja paralelno sa pribavljanjem instrukcija čime se eliminišu konflikti između instrukcija i podataka koji realno postoje kod sistema zasnovanih na jedinstvenoj magistrali.

3. Pojednostavljena arhitektura MIPS procesora

4. Memorija
Memorija je bajt adresabilna sa 32-bitnim adresama (od 0x do 0xffffffff). Koristi se tzv. little- endian način rada, što zapravo znači da se u memoriju na LS bajt poziciju upisuje bajt najmanje težine.

5. Registri MIPS arhitektura definiše sledeće CPU registre:
registra opšte namene, svi obima 32 bita, ovi registri čine RF polje
- par specijalnih registara HI i LO koji se koriste za čuvanje međurezultata kod izvršavanja operacija množenja i deljenja.
- programski brojač (PC),koji čuva adresu naredne instrukcije. Kako su sve instrukcije MIPS arhitekture dužine 32 bita PC se nakon izvršenja svake instrukcije uveća za 4.
Na sledećoj slici prikazani su registri RF polja i njihova namena.

7. Formati instrukcija Korišćeni su sledeći simboli:
- op- 6-bitni opkod instrukcije
- rs- 5-bitni specifikator izvorišnog registra
- rd- 5-bitni specifikator odredišnog registra
- rt - 5-bitni specifikator cilnog (izvorišnog/ odredišnog) registra ili uslova grananja
- imm- 16-bitni neposredni razmeštaj koji se odnosi na grananje ili adresni razmeštaj
- ciljna adresa - 26-bitna ciljna adresa grananja/skoka
- shamt- 5-bitna informacija koja ukazuje na iznos pomeranja
- funct- 6-bitno funkcijsko polje

8. Načini adresiranja operanada
Procesor MIPSxx koristi sledeća četiri adresna načina rada:
1. registarsko adresiranje:operand je u registru
2. bazno adresiranje sa razmeštajem: operand je u memorijskoj lokaciji čija je adresa zbir sadržaja registra i polja "adresa" instrukcije
3. neposredno adresiranje: operand je konstanta i sastavni je deo instrukcije
(polje "imm")
4. PC relativno adresiranje: adresa predstavlja zbir PC-a i sadršaja polja "adresa" instrukcije

9. Skup instrukcija
Sve instrukcije MIPS arhitekture imaju fiksni obim od 32 bita i mogu se podeliti na sledeće tri grupe:
- regularne instrukcije za manipulisanje integer vrednostima
- makro-instrukcije ili tzv. pseudoinstrukcije
- regularne instrukcije za manipulisanje float-point vrednostima

10. Regularne instrukcije za manipulisanje integer vrednostima

12. Lista pseudo (makro) instrukcija

14. Primeri pseudo instrukcije MIPSxx arhitekture
Kao što je već naglašeno u MIPS arhitekturi postoji određen broj makro ili pseudo instrukcija za manipulisanje integer vrednostima. Svaku od ovih instrukcija asembler radi izvršenja prevodi u skup od jedne ili više osnovnih (regularnih) instrukcija.
Na sledujućim slajdovima dat je detaljniji opis nekoliko pseudo instrukcija. Za svaku od njih naveden je naziv (na engleskom), sintaksa, broj reči koje instrukcija zauzima, vreme potrebno za izvršenje instrukcije (broj ciklusa), zatim kratak opis i skup regularnih instrukcija kojima se data pseudo­instrukcija zamenjuje.

15. Absolute Value: abs Rd, Rs 3/3
U registar Rd smešta se apsolutna vrednost sadržaja registra Rs.
addu Rd, $0, Rs
bgez Rs, skip
sub Rd, $0, Rs
skip:
Primer:
lui $1, 0xffff
or $t1, $1, # $t1 = -5
addu $t2, $0, $t1 # abs $t2, $t1
bgez $t1, skip
sll $0, $0, 0
sub $t2, $0, $t1

16. Load Address: la Rd, Label 2/2
Adresa koja odgovara labeli Label se učitava u registar Rd.
lui $1, HI(Label)
ori Rd, $1, LO(Label)
Primer:
la $t0, target
jr $t0
...
target:

17. Load Immediate: li Rd, value 2/2
32-bitna vrednost value se učitava u registar Rd.
lui $1, HI(value)
ori Rd, $1, LO(value)
Primer:
lui $1, 0xffff # negativne vrednosti
or $t1, $1, -354
ori $t2, # pozitivne vrednosti
# do 16 bita ( )
lui $1, 0x # pozitivne vrednosti od
or $t3, $1, 0x # 16 od 32 bita

18. Unaligned Load Word: ulw Rd, n(Rs) 2/2
Reč sa adrese n(Rs) se učitava u registar Rd. Adresa ne mora biti poravnata.
lwl Rd, (n+3)(Rs)
lwr Rd, n(Rs)
Primer:
lui $t0, 0x # $t0=0x
lui $1, 0x0123
ori $1, 0x # $1=
sw $1, 0($t0)
lui $1, 0x89AB
ori $1, 0xCDEF
sw $1, 4($t0) #
# EF CD AB 89
lwl $t1, 6($t0) # ulw $t1, 3($t0)
lwr $t1, 3($t0) # $t1 = 0xABCDEF01

19. Unaligned Store Halfword: ush Rd, n(Rs) 3/3
Niža polureč iz registra Rd se smešta na adresu n(Rs). Adresa ne mora biti poravnata.
sb Rd, n(Rs)
srl $1, Rd, 8
sb $1, (n+1)(Rs)
Primer:
lui $t0, 0x # $t0=0x
ori $t1, 0x # $t1=0x
sb $t1, 3($t0) # ush $t1, 3($t0)
srl $1, $t1, 8
sb $1, 4($t0) # #

20. Makro naredbe
Asemblerski jezik MIPS arhitekture pruža mogućnost korišćenja makro naredbi. Makro naredba predstavlja sekvencu regularnih instrukcija koja se definiše jedanput a može se koristiti više puta u toku izvornog programa.
Svaka makro naredba sastoji se od 3 celine:
- zaglavlje predstavlja zapravo ime makro naredbe sa zadatim formalnim parametrima (npr. addx2 ($rd, $rs, $rt)
- telo čini sekvenca reglarnih instrukcija u koju asembler prevodi makro pri pozivu
- direktiva koja se odnosi na kraj definicije
Pri pozivu makroa zadaje se ime i aktuelni parametri.

21. Kod MIPS mikroprocesora makro naredbe imaju sledeću sintaksu:
.macro ime naredbe ($parametri)
sekvenca instrukcija koje čine makro
.end_macro
Primer:
definisanje makroa:
.macro addx2 ($rd, $rs, $rt)
sll $1, $rs, 1
addu $rd, $1, $rt
poziv makroa:
addx2 ($t2, $t1, $t0)
Slede primeri instrukcija koje bi se mogle definisati kao makro naredbe.

22. Add with Shift by 1 : addx2 Rd, Rs, Rt 2/2
Sadržaj registra Rs se množi sa 2, pa se sabira sa sadržajem registra Rt. Dobijeni rezultat se upisuje u registar Rd.
sll $1, Rs, 1
addu Rd, $1, Rt
Primer:
ori $t0, $0, 8 # $t0 = 8
ori $t1, $0, 1 # $t1 = 1
sll $1, $t0, # addx2 $t2, $t1, $t0
addu $t2, $1, $t # $t2 = 17

23. Branch if All Bits Set: ball Rs, Rt, Label 3/3
Ukoliko su postavljeni svi bitovi u registru Rs označeni maskom u registru Rt vrši se grananje na adresu Label.
nor $1, Rs, $0
and $1, $1, Rt
beq $1, $0, Label
Primer:
ori $t1, $0, 12 # $t1 = 1100
ori $t0, $0, 11 # $t0 = 1011
nor $1, $t1, $0 # ball $t1, $t0, lab
and $1, $1, $t0
beq $1, $0, lab
sll $0, $0, 0
ori $t2, $0, # ako nije doslo do
lab: # grananja $t2=1

24. Maximum Value: max Rd, Rs, Rt 4/4
U registar Rd se upisuje veća od vrednosti u registrima Rs i Rt. Sadržaji registara Rs i Rt se porede kao označeni brojevi.
slt $1, Rs, Rt
beq $1, $0, skip
or Rd, Rs, $0
or Rd, Rt, $0
skip:
Primer:
lui $1, 0xffff
ori $t0, $1, 0xfffb # t0 = -5
ori $t1, $0, 7 # t1 = 7
slt $1, $t1, $t0 # max $t2, $t1, $t0
beq $1, $0, labela
or $t2, $t1, $0 # u slotu grananja
or $t2, $t0, $0
labela:

25. Primer
Dat je niz a od 4 elementa tipa reč (32 bita). Generisati nizove b i c čiji su elementi tipa polureč (16 bitova) tako što se u niz b smešta niža, a u niz c viša polureč odgovarajućeg elementa niza a. Pretpostaviti da su nizovi a, b i c smešteni počev od adresa NizA, NizB i NizC, respektivno, pri čemu ove adrese ne moraju biti poravnate.

26. Prvo definišemo nizove:
.data
NizA: .word 0x , 0x , 0x , 0x
NizB: .half 0, 0, 0, 0, 0
NizC: .half 0, 0, 0, 0, 0
.text

27. Rešenje:
la $t0, NizA
addi $t0, $t0, # kraj niza a
la $t1, NizB
addi $t1, $t1, 8 # kraj niza b
la $t2, NizC
addi $t2, $t2, 8 # kraj niza c
la $t7, NizA
petlja: addi $t0, $t0, # pomeramo se za
addi $t1, $t1, # jedan element unazad
addi $t2, $t2, # u svim nizovima
ulw $t5, 0($t0) # ucitaj rec
ush $t5, 0($t1) # sacuvaj nizu polurec u b
srl $t5, $t5, 16
ush $t5, 0($t2) # sacuvaj visu polurec u c
bne $t0, $t7, petlja # dok ne stignemo do
# pocetka niza

28. korak 1: Pokrenuti MIPSter (Start→All Programs→MIPSter)
korak 1: Pokrenuti MIPSter (Start→All Programs→MIPSter). Na označena mesta uneti rešenje primera koje je dato na predhodnom slajdu.
Sekcija za definisanje podataka
Sekcija za programsku sekvencu

29. korak 2: Selektovati file→save as iz padajućeg meny-ja i u dialog box-u koji se otvori upisati “primer.s” i kliknuti na taster save (ili pritisnuti taster enter).
Ovde upisati: primer.s

30. korak 3: Pokrenuti program PCSpim (Start→All Programs→PCSpim)
korak 3: Pokrenuti program PCSpim (Start→All Programs→PCSpim). Otvoriće se aplikaconi prozor koji je prikazan na slici.
register
Text segment
data segment
messages

31. Aplikacioni prozor sastoji se iz četiri dela:
- sekcija na vrhu je meny-bar. Omogućava selekciju File operacije, postavljanje konfiguracije-opcijom Simulator, selekciju načina i vrste prikaza-opcijom Windows i dobijanje pomoćnih informacija-opcijom Help.
- odmah ispod meny-bar-a je toolbar. Omogućava brzi bristup preko miša do svih alata koje koristi PCSpim.
- najveća sekcija u sredini ekrana je sekcija prikaza koja ima četiri celine:Register (vrednosti svih registara CPU i MPU jedinica MIPS procesora), Text Segment (instrukcije iz korisničkog programa i sistemski kod), Data Segment (podaci koji se nalaze u memoriji i kojima korisnički program manipuliše) i Messages (ispisuju se pouke PCSpim-a).
- na dnu velikog prozora nalazi se sekcija Status bar. Ova sekcija sadrži informacije o tekućim aktivnostima istatusu simulatora.

32. korak 4: Postaviti konfiguraciju simulatora selektovanjem Simulator→Settings iz menu bar-a tako da dialog box koji se otvori izgleda kao na slici

33. korak 5: Loadovati fajl primer
korak 5: Loadovati fajl primer.s selekcijom Open tastera iz toolbar-a (alternativno može se selektovati File→Open iz menu bar-a). Ukoliko program ne može da se loaduje PCSpim će pružiti mogućnost promene konfiguracje okoline i automatski će izvršiti reload fajla.
Po učitavanju dialog box za otvaranje fajlova se zatvara i pojavljuje se glavni aplikacioni prozor sa prikazima instrukcija i podataka. Ako to nije slučaj treba promeniti izgled ekrana selekcijom Windows→Tile iz menu bar-a.
Svaka instrukcija u tekstualnom segmentu prikazana je u liniji sličnoj sledećoj:
[0x c] 0x sll $2, $4, ; 143: sll $v0, $a0, 2
Prvi broj u liniji, smešten između uglastih zagrada je heksadecimalna memorijska adresa instrukcije. Drugi broj je heksadecimalni kod instrukcije. Iza tačke i zareza sledi linija iz fajla koja generiše instrukciju, a broj 143 je broj linije u fajlu. Ako iza tačke i zareza nema nikakve linije znači da je instrukciju generisao PCSpim u procesu prevođenja pseudonstrukcije ili makro naredbe.

34. korak 6: Pratiti izvršavanje programa uz pomoć tastera F10 ili selektovati Simulator→Single _Step iz menu bar-a (program se izvršava instrukcija po instrukcija). Izvršenje programa postiže se i pritiskom Go tastera iz toolbar-a (alternativno može se selektovati Simulator→Go iz menu bar-a).