計算機構成 第7回 サブルーチンコールとスタック テキストp85-90

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1 計算機構成 第7回 サブルーチンコールとスタック テキストp85-90
情報工学科 天野英晴

2 サブルーチンコール メインルーチン A サブルーチンは呼ばれた所に 戻っていく 違った場所で呼べる ソフトウェアのモジュール化が可能
現在のプログラムでは不可欠 call A return call A サブルーチンコール命令の 実装における選択 →戻り番地（pc+1)を どこにしまうか？

3 Jump and Link 戻り番地を最大番号のレジスタに保存 JAL X : pc←pc+1+X, r7←pc+1 POCOの場合r7
古典的な手法でマインフレーム時代に使われた Branch and Link命令 RISCで最も良く使われる方式 JAL X : pc←pc+1+X, r7←pc+1 10101 XXXXXXXX 飛ぶ範囲はJMPと同じく11ビット（-1024～1023） 議論1：サブルーチンの入れ子（ネスト）に対応しない 議論2：r7にしまうのは命令の直交性を損ねる（格好わるい）

4 2乗を計算する例 LDIU r0,#0 LD r1,(r0) MV r2,r1 r1とr2に同じ値をセットする JAL mult
end: JMP end // Subroutine Mult r3 ←　r1×r2 ここでr2は破壊される mult: LDIU r3,#0 loop: ADD r3,r1 ADDI r2,#-1 BNZ r2, loop JR r7

5 POCOのサブルーチンコール メインルーチン A リターン命令にはJR r7が利用可能 ここで疑問： サブルーチンの中で別のサブルーチン を呼ぶとr7が壊れて戻れなくなるのでは？ その通り！ しかし他にも壊れては困るレジスタは あるはず →保存するためにスタックが必要 JAL B？ JAL A JR r7 JAL A

6 スタック データを積む棚 LIFO(Last In First Out)、FILO(First In Last Out)とも呼ばれる
push操作でデータを積み pop操作で取り出す LIFO(Last　In First Out)、FILO(First In Last Out)とも呼ばれる 演算スタックとは違う（誤解しないで！） 主記憶上にスタック領域が確保される C C push pop B C B A B A A

7 Bでは r0,r1が 壊れる スタックを使った入れ子構造への対応 メインルーチン B push r0, push r1 A r1 push r0, push r7 r0 r7 JAL B r0 r7 pop r1, pop r0 JAL A r0 JAL C JR r7 pop r7, pop r0 JR r7 Cでは r1,r2が 壊れる JAL A Aでは r0,r7が 壊れる C push r1, push r2 r2 r1 r7 壊れるレジスタをサブルーチンの 入り口でpushして保存し、 出口でpopして復帰 →　呼ぶ方で保存する方法もある r0 pop r2, pop r1 JR r7

8 スタックの実現(push) r6をスタックポインタとする スタックポインタをマイナスしてからSTする push 0、push 1は
ADDI r6,#-1 ST r0,(r6) ST r1,(r6) r1 r0 r6 r1 スタック領域 r0 r6

9 スタックの実現(pop) スタック領域はメモリの番地の小さい方に伸びる→昔からの習慣 pop操作は、LDしてからスタックポインタを＋する。
LD r1(r6) ADDI r6,#1 LD r0,(r6) r1 r6 r1 r0 r0 r6

10 2乗を計算する例 r2を破壊しないサブルーチンコール r6はメインルーチンで初期化する必要がある
// Subroutine Mult r3 ←　r1×r2 mult: ADDI r6,#-1 ST r2,(r6) LDIU r3,#0 loop: ADD r3,r1 ADDI r2,#-1 BNZ r2, loop LD r2,(r6) ADDI r6,#1 JR r7

11 JALを巡る議論 戻り番地を汎用レジスタに格納する方針 ではｒ７に決めちゃうのはどうなの？ どっちみちスタックに汎用レジスタにしまう
ならば入れ子になるときには、r7もついでにしまってやれば良い システムスタックを持っていてCall時にこれにしまう方法（IA32などの方法）と比べて劣ってはいない→むしろ不必要なメモリ読み書きが減る ではｒ７に決めちゃうのはどうなの？ 任意のレジスタにしまうことができても意味がない JALはできるだけ遠くに飛びたいのでレジスタのフィールドはないほうが良い 多少の格好の悪さは我慢しよう！

12 JAL命令のVerilog記述 pcをr7に保存する
assign rf_c = ld_op ? ddatin: jal_op ? pc+1: alu_y; assign rwe = ld_op | alu_op…| jal_op; assign cadr = jal_op? 3’b111 : rd; rfile rfile_1(.clk(clk), .a(rf_a), .aadr(rd), .b(rf_b), .badr(rs), .cadr(cadr), .we(rwe); 今までと異なりレジスタファイルのaadr=cadrではなくなる。この二つを分離する必要がある

13 JALのVerilog記述 飛び方はJMPと同じ always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) pc <= 0; else if ((bez_op & rf_a == 16’b0) | (bnz_op & rf_a != 16’b0) | (bpl_op & ~rf_a[15]) | (bmi_op & rf_a[15])) pc<=pc+{{8imm[7]}},imm}+1; else if (jmp_op| jal_op) pc <= pc +{{5{idatain[10]}},idatain[10:0]}}+1; else if(jr_op) pc <= rf_a; else pc<=pc+1; end

14 NOP MV rd,rs rd← rs AND rd,rs rd← rd AND rs OR rd,rs rd← rd OR rs
MV rd,rs rd← rs 00000dddsss00001 AND rd,rs rd← rd AND rs 00000dddsss00010 OR rd,rs rd← rd OR rs 00000dddsss00011 SL rd rd← rd<<1 00000ddd SR rd rd← rd>>1 00000ddd ADD rd,rs rd← rd + rs 00000dddsss00110 SUB rd,rs rd← rd - rs 00000dddsss00111 ST rd,(ra) (ra)← rd 00000dddaaa01000 LD rd,(ra) rd← (ra) 00000dddaaa01001 JR rd pc ←　rd 00000ddd

15 LDI rd,#X rd← X(符号拡張） LDIU rd,rs rd← X(ゼロ拡張） ADDI rd,#X rd←rd+X(符号拡張）
01000dddXXXXXXXX LDIU rd,rs rd← X(ゼロ拡張） 01001dddXXXXXXXX ADDI rd,#X rd←rd+X(符号拡張） 01100dddXXXXXXXX ADDIU rd,#X rd←rd+X(ゼロ拡張） 01101dddXXXXXXXX LDHI rd,#X rd←{X,0} 01010dddXXXXXXXX BEZ rd,X if(rd=0) pc←pc+X+1 10000dddXXXXXXXX BNZ rd,X if(rd≠0) pc←pc+X+1 1000１dddXXXXXXXX BPL rd,X if(rd>=0) pc←pc+X+1 10010dddXXXXXXXX BMI rd,X if(rd<0) pc←pc+X+1 10011dddXXXXXXXX

16 JMP #X pc←pc+X+1 JAL #X 10100XXXXXXXXXXX pc←pc+X+1, r7←pc+1

17 演習 １．multを利用して0番地の数の３乗を計算せよ
２．JALR　rdは、JAL同様r7に戻り番地をしまってJR同様rdの中身の番地にそのまま飛ぶ命令である。これを実装せよ。 JALR　rd　00000ddd