Βασική Λειτουργία του Υπολογιστή:

Οι υπολογιστές αποτελούνται από:

• Μονάδες Εισόδου/Εξόδου (I/O - Input/Output): είναι οι "περιφερειακές" συσκευές, μέσω των οποίων ο υπολογιστής επικοινωνεί με τον έξω κόσμο --πληκτρολόγιο, ποντίκι, μικρόφωνο, κάμερα, οθόνη, μεγάφωνα, δίσκοι (μαγνητικοί και οπτικοί), διεπαφές δικτύου (network interfaces), κλπ.
• Κεντρική Μνήμη (Main Memory): εκατομμύρια στοιχεία αποθήκευσης πληροφορίας --κάτι σαν flip-flops αλλά απλούστερα στην κατασκευή-- οργανωμένα σαν πολλές (συνήθως εκατομμύρια και πάνω) "λέξεις" (words) των κάμποσων (π.χ. 32, 64) bits καθεμία. Μπορούμε να την φανταστούμε σαν έναν πολύ μεγάλο πίνακα (array) από bytes ή από λέξεις.
• Επεξεργαστής (Processor) ή Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU - Central Processing Unit): περιέχει τα κυκλώματα ελέγχου (control) που καθοδηγούν την εκτέλεση των λειτουργιών που θα πούμε πιό κάτω. Επίσης περιέχει τους "δρόμους δεδομένων" (datapath) μέσα από τους οποίους περνάνε και οι οποίοι επεξεργάζονται τις πληροφορίες που ανταλλάσει ο επεξεργαστής με τη μνήμη και τις περιφερειακές συσκευές. Τρίτον, περιέχει τους "καταχωρητές γενικού σκοπού" (general-purpose registers). Πρόκειται γιά μιά πολύ μικρή μνήμη, μεγέθους συνήθως κάμποσων δεκάδων λέξεων (π.χ. 32 λέξεων). Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, όσο πιό μικρό τόσο πιό γρήγορο είναι (2η αρχή σχεδίασης --σελ. 110 βιβλίου), γι' αυτό και το σύνολο αυτών των καταχωρητών ("register file") είναι πολύ μικρό γιά να είναι πολύ γρήγορο (και γιά οικονομία στα bits της εντολής, όπως θα δούμε αργότερα).

Ο υπολογιστής λειτουργεί με τον εξής βασικό επαναληπτικό τρόπο. Ο επεξεργαστής διαβάζει μιάν εντολή από τη μνήμη. Στη συνέχεια την αποκωδικοποιεί γιά να καταλάβει τι λέει, και κάνει τις δουλειές που αυτή λέει --δηλαδή την "εκτελεί". Οι δουλειές αυτές είναι συνήθως απλές, όπως π.χ. μεταφορά δεδομένων από ή προς τη μνήμη, ή από ή προς περιφερειακές συσκευές, ή αριθμητικές πράξεις πάνω σε δεδομένα, ή αποφάσεις "αλλαγής πορείας". Μετά, μόλις τελειώσει η εκτέλεση της εντολής, ο επεξεργαστής διαβάζει από τη μνήμη και εκτελεί την "επόμενη" εντολή, και ούτω καθ' εξής επ' αόριστο. Η "επόμενη" εντολή συνήθως είναι η εντολή που βρίσκεται αποθηκευμένη στην επόμενη λέξη μνήμης, εκτός αν η εκτέλεση της προηγούμενης εντολής πεί στον επεξεργαστή να "αλλάξει πορεία"....

Γιά να ξέρει ο επεξεργαστής ποιά είναι η "επόμενη" εντολή που πρέπει να διαβάσει και εκτελέσει, υπάρχει μέσα του ένας ειδικός καταχωρητής, ο "Μετρητής Προγράμματος" (PC - program counter) --ίσως μιά σωστότερη ονομασία να ήταν "δείκτης προγράμματος" (program pointer), αλλά έχει μείνει από παλιά η ονομασία "PC". Στο τέλος της εκτέλεσης μιάς εντολής, ο PC περιέχει τη διεύθυνση μνήμης της επόμενης εντολής που πρέπει να διαβαστεί από τη μνήμη και να εκτελεστεί. Αν φανταστούμε τη μνήμη σαν έναν μεγάλο πίνακα (array), M[ ], τότε η "διεύθυνση μνήμης" είναι ο δείκτης (index), i, που μας λέει να διαβάσουμε την επόμενη εντολή από το M[ i ]. Με όρους της γλώσσας C, η διεύθυνση μνήμης της επόμενης εντολής είναι ένας pointer στην επόμενη εντολή.

Γλώσσες Μηχανής:

Κάθε εντολή γλώσσας μηχανής αποτελείται από έναν κώδικα πράξης (opcode --operation code), και από τελεστέους (operands) που περιγράφουν πάνω σε τι θα γίνει η πράξη. Οι τελεστέοι των εντολών αριθμητικών πράξεων του MIPS είναι πάντα καταχωρητές γενικού σκοπού (registers) του επεξεργαστή, ή σταθερές ποσότητες, αλλά όχι θέσεις μνήμης. Η CPU του MIPS έχει 32 καταχωρητές των 32 bits καθένας --32 bits είναι το μέγεθος λέξης (word) του MIPS. Πιό σύγχρονα μοντέλα επεξεργαστών, σήμερα, έχουν μέγεθος λέξης 64 bits. Οι εντολές αριθμητικών πράξεων του MIPS έχουν πάντα τρείς (3) τελεστέους, γιά λόγους ομοιομορφίας. Η ομοιομορφία μεταφράζεται σε απλότητα του hardware, πράγμα που ευνοεί την υψηλότερη ταχύτητα (1η αρχή σχεδίασης --σελ. 108 βιβλίου).

Η Γλώσσα Assembly του MIPS:

• Η βασική εντολή αριθμητικής πράξης του MIPS είναι η add που κάνει πρόσθεση ακεραίων. Η εντολή Assembly "add $23, $16, $18" διαβάζει τα περιεχόμενα των καταχωρητών υπ'αριθμόν 16 και 18, τα προσθέτει, και γράφει το αποτέλεσμα στον καταχωρητή υπ'αριθμόν 23: $23 := $16 + $18.
• Η εντολή sub (subtract) είναι παρόμοια αλλά, αντί να προσθέτει, αφαιρεί τον τρίτο τελεστέο από το δεύτερο: η "sub $23, $16, $18" γράφει στον καταχωρητή υπ'αριθμόν 23 το αποτέλεσμα της αφαίρεσης $16 - $18.
• Η εντολή addi (add immediate) είναι παρόμοια της add (πρόσθεση), αλλά ο τρίτος τελεστέος της είναι σταθερός αριθμός αντί καταχωρητή: "addi $23, $16, 157" διαβάζει το περιεχόμενο του καταχωρητή 16, προσθέτει τον αριθμό 157 σε αυτό, και γράφει το αποτέλεσμα στον καταχωρητή 23. Εάν η μεταβλητή i βρίσκεται στον καταχωρητή 18, τότε η εκχώρηση "i=i+1" μεταφράζεται σε "addi $18, $18, 1".
• Ο καταχωρητής $0 του MIPS περιέχει πάντα την σταθερή ποσότητα μηδέν, ανεξαρτήτως του τι γράφει κανείς σε αυτόν (οι εγγραφές σε αυτόν αγνοούνται από το hardware). Ετσι, η αρχικοποίηση "i=1" μπορεί να γίνει: "addi $18, $0, 1".

Γιά να εκτελεστεί ένα πρόγραμμα, οι εντολές του γράφονται στην κεντρική μνήμη η μία "κάτω" από την άλλη, δηλαδή σε συνεχόμενες θέσεις (διευθύνσεις) μνήμης. Μετά την ανάγνωση και εκτέλεση μιάς εντολής, ο επεξεργαστής αυξάνει τον PC κατά το μέγεθος της εντολής που εκτελέστηκε, οπότε αυτός (ο PC) δείχνει στην επόμενη (την "από κάτω") εντολή. Η σειριακή αυτή εκτέλεση εντολών διακόπτεται όταν εκτελείται μιά εντολή μεταφοράς ελέγχου (CTI - control transfer instruction). Τέτοιες, όπως θα δούμε, είναι, μεταξύ άλλων, οι διακλαδώσεις (branch) και τα άλματα (jump). Η εντολή "j label" ("jump" to label, ή παλαιότερα "goto" label) κάνει ώστε η επόμενη εντολή που θα εκτελεστεί να είναι η εντολή στη διεύθυνση μνήμης "label", αντί να είναι η "από κάτω" εντολή. Με άλλα λόγια, η εντολή "j label" φορτώνει τη διεύθυνση "label" στον καταχωρητή PC.

Ο Προσομοιωτής SPIM:

• Διαβάστε τις σελίδες Α-38 έως και Α-42 του Παραρτήματος Α του βιβλίου που περιγράφουν όσα από τον SPIM θα χρειαστείτε προς στιγμήν. Επίσης, μπορείτε να ξεφυλλίστε "στα πεταχτά" τις σελίδες Α-43 έως Α-53 γιά να δείτε τι άλλο κάνει ο SPIM. Θα τις βρείτε είτε έντυπα, είτε στο ~hy225/spim/documentation/appendix_A.pdf που αποτελεί τοπικό αντίτυπο του http://www.cs.wisc.edu/~larus/SPIM/cod-appa.pdf.
• Το παραπάνω παράρτημα Α του βιβλίου περιέχει το νεώτερο διαθέσιμο εγχειρίδιο γιά τον SPIM. Άλλα, παλαιότερα, εγχειρίδια υπάρχουν στο http://www.cs.wisc.edu/~larus/spim.html, και τοπικά τους αντίτυπα στα ~hy225/spim/{man | documentation} (το "~hy225/" είναι το "/home/lessons/hy225/").

• Αντιγράψτε το αρχείο ~hy225/spim/trap.handler στο directory όπου θα τρέξετε τον SPIM, με το ίδιο όνομα --ο SPIM περιμένει να το βρεί στο παρών directory όταν ξεκινάει. Το αρχείο αυτό περιέχει τον κώδικα χειρισμού των εξαιρέσεων/διακοπών που χρειάζεται γιά τη σωστή λειτουργία του υπό προσομοίωση υπολογιστή (κάτι σαν την καρδιά της καρδιάς του λειτουργικού συστήματος).
• Αν είστε σε μηχανή i86 (PC) με λειτουργικό Solaris, καλέστε τον SPIM λέγοντας: % ~hy225/spim/solaris-i86/xspim (ή /home/lessons/hy225/spim/solaris-i86/xspim γιά το πλήρες path, ή ~hy225/spim/solaris-i86/spim γιά την παραλλαγή του που χρησιμοποιεί απλό "τερματικό" και όχι αναγκαστικά X-Windows).
• Αν είστε σε μηχανή SPARC, καλέστε τον SPIM λέγοντας: % ~hy225/spim/sunos/xspim (ή ~hy225/spim/sunos/spim γιά την παραλλαγή του που χρησιμοποιεί απλό "τερματικό" και όχι αναγκαστικά X-Windows).
• Υπάρχει επίσης μορφή του SPIM που τρέχει σε PC's με λειτουργικό Windows 95, 98, 2000, NT, και DOS: δείτε το directory: ~hy225/spim/windows
• Σε μία περίπτωση ενός φοιτητή εμφανίστηκε το πρόβλημα ο SPIM να τερματίζει (exit) μόνος του αμέσως μετά την εκκίνησή του. Το πρόβλημα λύθηκε όταν ο φοιτητής αυτός τροποποίησε το αρχείο ".Xdefaults" του ούτως ώστε να βάλει σε σχόλια τη γραμμή που όριζε τα fonts γιά το περιβάλλον X (X-environment) του.

Κώδικας Γνωριμίας με τον SPIM:

     .text              # program memory:
     .globl main            # label "main" must be global;
                            # bootstrap trap.handler calls main.
main:
                            # registers:  $16: i; $17: j;
     addi   $16, $0,  10    # init. i=10; ($0==0 always)
     addi   $17, $0,  64    # init. j=64; (64 decimal = 40 hex)
     add    $18, $16, $17   # $18 <- i+j = 74 dec = 4a hex
     add    $18, $18, $18   # $18 <- 74+74=148 dec = 94 hex
     add    $18, $18, $17   # $18 <-148+64=212 dec = d4 hex
     addi   $17, $17, -1    # j <- j-1 = 63 dec = 3f hex
     sub    $17, $17, $16   # j <- j-i = 53 dec = 35 hex
     j      main            # jump back to main (infinite loop)

• Το κομάτι κάθε γραμμής μετά το # είναι σχόλια.
• Οι γραμμές μετά το .text είναι εκτελέσιμος κώδικας (σε αντίθεση με αριθμητικά δεδομένα στη μνήμη, που εδώ δεν έχουμε).
• Η γραμμή .globl main λέει στον SPIM να βάλει την ετικέτα (label) main στον πίνακα καθολικών (global) συμβόλων. Το main είναι εκεί που ο trap.handler θα καλέσει τον κώδικά μας, και πρέπει να έχει αυτό ακριβώς το όνομα (όπως και στην C) και να είναι καθολικό σύμβολο, γιά να μπορεί να το βρίσκει ο linker που θα "συνενώσει" τον trap.handler με τον δικό μας κώδικα.
• Η γραμμή main: ορίζει την ετικέτα main σαν τη διεύθυνση μνήμης όπου θα τοποθετηθεί αυτό που ακολουθεί ακριβώς μετά --στην περίπτωσή μας η πρώτη εντολή (addi) του προγράμματός μας.
• Μετά το main: ακολουθούν οκτώ εντολές στη γλώσσα Assembly του MIPS: έξι εντολές πρόσθεσης (add ή addi), μία εντολή αφαίρεσης (sub), και μία εντολή άλματος (j).
• Η εντολή άλματος j main, που είναι η τελευταία εντολή του προγράμματός μας, λέει στον επεξεργαστή να εκτελέσει σαν επόμενη εντολή την εντολή που βρίσκεται στη διεύθυνση μνήμης main, δηλαδή την πρώτη εντολή (addi) του προγράμματός μας. Αυτό δημιουργεί έναν άπειρο βρόχο: οι 8 αυτές εντολές του προγράμματός μας θα εκτελούνται συνεχώς, επ' άπειρο --ένα κανονικό πρόγραμμα, φυσικά, δεν πρέπει να κάνει κάτι τέτοιο, αλλά εδώ δεν πρόκειται γιά κανονικό πρόγραμμα....

Ασκήση Τρεξίματος του SPIM:

Στις διευθύνσεις 00400000 έως 0040001c (δεκαεξαδικό) υπάρχουν 8 "παράξενες" εντολές που προέρχονται από το αρχείο trap.handler (η διεύθυνση της κάθε εντολής διαφέρει από αυτήν της προηγούμενης κατά 4 διότι οι εντολές του MIPS έχουν μέγεθος 4 bytes καθεμία). Δεν χρειάζεται να καταλάβετε τι κάνουν αυτές οι εντολές --αρκεί να ξέρετε ότι ρόλος τους είναι να καλέσουν τη διαδικασία (procedure) main, περνώντας της σαν παραμέτρους τα γνωστά από την C argc, argv, και envp, και όταν η διαδικασία αυτή επιστρέψει να καλέσουν τη διαδικασία exit του λειτουργικού συστήματος (system call). Παρακάτω στο ίδιο παράθυρο, ξεκινώντας από τη διεύθυνση 80000080 (δεκαεξαδικό), υπάρχει ο κώδικας του υπό προσομοίωση πυρήνα (kernel) του λειτουργικού συστήματος, που επίσης προέρχεται από το αρχείο trap.handler και που επίσης δεν χρειάζεται να καταλάβετε τι κάνει....

Χρησιμοποιήστε το κουμπί "load" στο δεύτερο παράθυρο του SPIM γιά να ζητήστε να φορτωθεί το αρχείο με το παραπάνω πρόγραμμα που γράψατε (π.χ. "ask1.s"). Εναλλακτικά, μπορείτε να καλέσετε τον SPIM λέγοντας "xspim -file ask1.s". Οι εντολές του προγράμματός σας προστίθενται στη μνήμη (text segments), ξεκινώντας από τη διεύθυνση 00400020 (δεκαεξαδικό), δηλαδή αμέσως κάτω από τις 8 "παράξενες" εντολές (00400000 έως 0040001c) που καλούν το "main".

Στο πρώτο παράθυρο του SPIM, πάνω αριστερά, φαίνεται το περιεχόμενο του μετρητή προγράμματος (PC). Όποτε ο SPIM είναι σταματημένος --δηλαδή δεν "τρέχει" το πρόγραμμά μας αλλά περιμένει-- το περιεχόμενο του PC είναι η διεύθυνση της επόμενης εντολής που πρόκειται να εκτελεστεί μόλις ξαναξεκινήσουμε την προσομοίωση (δηλαδή η εντολή αυτή δεν έχει "εκτελεστεί" ακόμα). Ο SPIM αρχικοποιεί τον PC σε 00400000 (δεκαεξαδικό), δηλαδή στην αρχή των 8 "παράξενων" εντολών που καλούν το "main".

Χρησιμοποιήστε το κουμπί "step" στο δεύτερο παράθυρο του SPIM γιά να ζητήστε "single-stepping" του προγράμματός σας, δηλαδή να εκτελούνται μιά-μιά οι εντολές και να τις βλέπετε. Κάθε φορά που πατάτε το κουμπί "step" μέσα στο υποπαράθυρο "prompt", ο SPIM προσομοιώνει την εκτέλεση μίας ακόμα εντολής. Παρακολουθήστε ότι μετά από κάθε τέτοια προσομοίωση ο PC έχει αυξηθεί κατά 4 (επειδή οι εντολές του MIPS έχουν μέγεθος 4 bytes καθεμία), δείχνοντας τώρα στην επόμενη εντολή που θα προσομοιωθεί, και η επόμενη αυτή εντολή εμφανίζεται τονισμένη με άλλο χρώμα στο τρίτο παράθυρο του SPIM (σε πλατφόρμα SPARC/Sunos υπάρχει ένα bug και το τόνισμα αυτό γίνεται εντολή-παρά-εντολή). Επίσης, η εντολή που μόλις εκτελέστηκε τυπώνεται στο κάτω-κάτω παράθυρο του SPIM.

Μετά την εκτέλεση της 6ης εντολής από το trap.handler, δηλαδή της εντολής jal main (jump and link) από τη διεύθυνση 00400014 (δεκαεξαδικό), η εκτέλεση πηγαίνει στη διεύθυνση 00400020 (δεκαεξαδικό), δηλαδή στο main --στο δικό μας πρόγραμμα. Μετά την εκτέλεση της εντολής addi $16, $0, 10 από τη διεύθυνση 00400020, δηλαδή όταν ο PC είναι 00400024, παρατηρήστε ότι ο καταχωρητής R16 (στο πρώτο παράθυρο, 4η γραμμή, μέση) αλλάζει τιμή και γίνεται 0000000a δεκαεξαδικό, δηλαδή 10 δεκαδικό, όπως έπρεπε, αφού σε αυτόν τον καταχωρητή έγραψε η εντολή που μόλις εκτελέστηκε το αποτέλεσμα της πρόσθεσης του καταχωρητή $0 (που περιέχει πάντα μηδέν) με τη σταθερή ποσότητα 10 (δεκαδικό).

Καθώς εκτελείτε μιά-μιά τις εντολές του προγράμματός μας, παρακολουθήστε πώς αλλάζουν τα περιεχόμενα των καταχωρητών R16, R17, και R18, στο πρώτο παράθυρο του SPIM, στη μέση. Θυμηθείτε ότι τα περιεχόμενα αυτά ο SPIM τα δείχνει στο δεκαεξαδικό σύστημα. Όταν η εκτέλεση φτάσει στην εντολή j main, παρατηρήστε ότι ο PC παίρνει ξανά την τιμή 00400020 (δεκαεξαδικό), και ξαναρχίζει η εκτέλεση του ίδιου προγράμματός μας, από την αρχή. Επειδή το πρόγραμμά μας είναι ένας άπειρος βρόχος που δεν επικοινωνεί καθόλου με τον έξω κόσμο --δεν γράφει ή διαβάζει τίποτα από την "κονσόλα"-- αποφύγετε να πατήστε το κουμπί "run" στο δεύτερο παράθυρο, ή το κουμπί "continue" στο υπο-παράθυρο "prompt" του "step", διότι ο προσομοιωτής "κολλάει", δηλαδή μπαίνει κι αυτός σε άπειρο βρόχο, προσομοιώνοντας συνεχώς το δικό μας άπειρο βρόχο, οπότε μοναδική λύση είναι να τον διακόψετε ή "σκοτώσετε" με control-C.

Τρόπος Παράδοσης:

• Σε μηχανή UNIX/X-Windows: χρησιμοποιήστε το πρόγραμμα "xv", και την επιλογή του "Grab" (σας επιτρέπει να καθορίσετε και τον χρόνο που θα περάσει μέχρι να παρθεί το στιγμιότυπο). Επιλέξτε το παράθυρο του xspim, και σώστε την εικόνα σε μορφή jpeg (.jpg), σε αρχείο με το όνομα "ask1.jpg".
• Σε μηχανή PC/Windows: πατήστε το κουμπί "Print Screen" του πληκτρολογίου, και μετά ανοίξτε το Microsoft Photo Editor και κάνετε "paste". Σώστε την εικόνα αυτή σε μορφή Jpeg (.jpg), και μεταφέρετε το αρχείο σε μηχανή SPARC με το όνομα "ask1.jpg".
• Γιά να παραδώσετε την άσκησή σας, εκτελέστε "~hy225/bin/submit 1", από το directory στο οποίο βρίσκεται το αρχείο σας "ask1.jpg" (με αυτό και μόνο το όνομα). Η εντολή submit δουλεύει μόνο σε πλατφόρμα SPARC/Sunos. Δεν πειράζει αν εκτελέστε την εντολή submit περισσότερες από μία φορές --θα παραμείνει το αρχείο της τελευταίας φοράς, αλλά και με την ημερομηνία της τελευταίας φοράς (άρα φροντίστε η τελευταία φορά να μην είναι μετά την προθεσμία παράδοσης).