計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章課件

1、計算機(jī)系統(tǒng) I,第九章：TRAP 程序和子程序,1,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,系統(tǒng)調(diào)用于實現(xiàn)特定操作，這些操作需要程序員具備某些不熟悉專業(yè)領(lǐng)域的知識，或者為了安全性而需要保護(hù)的操作。 專業(yè)性：比如對外部設(shè)備操作時需要了解外部設(shè)備的工作原理，內(nèi)部的I/O寄存器以及對它們的操作順序。這些都和具體硬件相關(guān)，不同的外部設(shè)備可能要求不一樣。 安全性：多個用戶程序可能共享某個外部設(shè)備資源，用戶編寫程序直接操作外部設(shè)備，一個小錯誤可能會影響到很多其它的用戶程序。,系統(tǒng)調(diào)用,2,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,并不是每個程序員知道（或者想知道）這個層次的技術(shù)細(xì)節(jié)。 解決方法：提供服務(wù)子程序或者系統(tǒng)調(diào)用(通常作為操作系統(tǒng)的一

2、部分) ，用戶通過這些子程序或者系統(tǒng)調(diào)用來安全和方便的實現(xiàn)底層操作。,3,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,用戶程序使用系統(tǒng)調(diào)用 操作系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)用操作 結(jié)束后將控制權(quán)返回給用戶程序 在LC-3里，通過TRAP 機(jī)制來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。,系統(tǒng)調(diào)用,4,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,包括一組服務(wù)子程序 操作系統(tǒng)的一部分 服務(wù)程序起始固定的內(nèi)存地址 LC-3中實現(xiàn)的服務(wù)子程序位于系統(tǒng)代碼區(qū)（below x3000) 最多支持 256個服務(wù)子程序 起始地址表 存放在 x0000 到 x00FF 的內(nèi)存中(256x16bit) 。每16位存放一個系統(tǒng)服務(wù)子程序的起始地址。 在別的系統(tǒng)中可能稱為為“系統(tǒng)控制塊”，或 “陷入矢量表

3、”,LC-3 TRAP 機(jī)制,5,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,TRAP 指令 用戶程序通過TRAP指令來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。操作系統(tǒng)將以用戶程序身份執(zhí)行某個特定的服務(wù)程序，并在執(zhí)行結(jié)束后將控制權(quán)返回 LC-3: TRAP指令通過指令中8-bit的 trap vector來指示調(diào)用256個服務(wù)子程序中的哪一個。 鏈接回到用戶程序 提供從服務(wù)程序返回到用戶程序的機(jī)制,LC-3 TRAP 機(jī)制,6,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,Trap 向量 指示調(diào)用哪個系統(tǒng)服務(wù)程序（x00-xff） 通過8位trapvect8索引起始地址表，獲得對應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用的入口地址 LC-3實現(xiàn)的方法：起始地址表存放在內(nèi)存的 0 x0000 0

4、x00FF處，8-bit trap vector 通過高位0擴(kuò)展成16位的內(nèi)存地址，該內(nèi)存地址處存放的就是相應(yīng)調(diào)用的入口地址 如何執(zhí)行 從起始地址表查找服務(wù)程序地址，加載到PC中 如何返回 將下一條指令的地址（當(dāng)前的PC值）保存到R7,TRAP指令,7,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,TRAP,注: PC在指令獲取階段已經(jīng)執(zhí)行加1操作指向了當(dāng)前指令的下一條指令,8,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,如何返回用戶程序？即回到trap指令的下一條指令繼續(xù)運行 執(zhí)行trap指令時將PC保存在R7 服務(wù)程序使用JMP R7就可以返回到用戶程序 LC-3 匯編語言使用RET (return) 助記符來取代 “JMP R7”。

5、 因此：必須保證服務(wù)程序沒有改變R7，否則無法返回。,RET (JMP R7),9,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,TRAP 機(jī)制流程,查找開始地址 轉(zhuǎn)換到服務(wù)程序 Ret (JMP R7),10,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,.ORIG x3000 LDR2, TERM ; Load negative ASCII 7LDR3, ASCII ; Load ASCII differenceAGAINTRAP x23 ; input characterADDR1, R2, R0 ; Test for terminateBRzEXIT ; Exit if doneADDR0, R0, R3 ; Change to l

6、owercaseTRAP x21 ; Output to monitor.BRnzp AGAIN ; . again and again.TERM.FILL xFFC9 ; -7ASCII.FILL x0020 ; lowercase bitEXITTRAP x25 ; halt.END,Example: 輸入大寫字母轉(zhuǎn)換為小寫字母，輸入7結(jié)束,11,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,.ORIG x0430; syscall addressSTR7, SaveR7; save R7 back to userCRTSR.FILLxF3FCCRTDR.FILLxF3FFSaveR1.FILL0SaveR7.F

7、ILL0.END,Example: Output Service Routine,12,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,TRAP Routines and their Assembler Names,13,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,在以下情況，必須要保存寄存器的內(nèi)容: 如果該寄存器的內(nèi)容會被系統(tǒng)調(diào)用使用 并在后續(xù)操作中將修改該寄存器. 誰保存? 調(diào)用服務(wù)程序的程序（調(diào)用者保存）? 需要知道系統(tǒng)調(diào)用會修改或使用那些寄存器什么，但實際可能不知道服務(wù)程序會使用和修改哪些寄存器 被調(diào)用的服務(wù)程序（被調(diào)用者保存）? 知道自己修改的內(nèi)容，但不知道調(diào)用程序后面需要什么,寄存器內(nèi)容的保存和恢復(fù),14,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,

8、LEAR3, BinaryLDR6, ASCII ; char-digit templateLDR7, COUNT ; initialize to 10AGAINTRAPx23 ; Get charADDR0, R0, R6 ; convert to numberSTRR0, R3, #0 ; store numberADDR3, R3, #1 ; incr pointerADDR7, R7, -1 ; decr counterBRpAGAIN ; more?BRnzp NEXTASCII.FILL xFFD0COUNT.FILL #10Binary.BLKW #10,Example,What

9、s wrong with this routine?What happens to R7?,15,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,被調(diào)用者保存- “callee-save” 在開始之前，保存可能被修改的寄存器內(nèi)容（除非調(diào)用程序預(yù)先知道修改值） 在返回前，恢復(fù)這些寄存器內(nèi)容 調(diào)用者保存- “caller-save” 針對將被調(diào)用程序或被調(diào)用程序（如果知道的話）修改的寄存器，如果其內(nèi)容后面需要，將其內(nèi)容保存下來 在TRAP之前保存R7 在TRAP x23 (input character) 之前保存R0 或者避免使用那些寄存器 保存在哪里：內(nèi)存,寄存器內(nèi)容的保存和恢復(fù),16,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,一個服務(wù)程

10、序能否調(diào)用另一個服務(wù)程序？ 如果可以的話，調(diào)用程序需要做什么?,Question,17,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,用戶代碼,服務(wù)程序提供3個主要功能： 程序員與系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)節(jié)隔離 頻繁使用的代碼只需要寫一次 保護(hù)系統(tǒng)資源免受惡意/笨拙的程序員影響 對用戶程序是否可以提供類似的功能？,18,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,子程序,19,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,一個子程序是一個滿足以下條件的程序片段： 在用戶空間運行 lives in user space 執(zhí)行一個預(yù)定義好的任務(wù)，被另一個用戶程序調(diào)用 執(zhí)行完畢后，將控制權(quán)返回給調(diào)用程序 與服務(wù)程序類似，但不是操作系統(tǒng)的一部分 不與受保護(hù)的硬件資源打交道，不需要特

11、權(quán) 為什么需要子程序？ 重用有用的（調(diào)試好的！）代碼 在多個程序員之間劃分任務(wù) 使用供應(yīng)商提供的代碼庫,子程序,20,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,保存當(dāng)前的PC（下一條指令的地址）到R7，跳到一個指定的位置（PC相對尋址）。 保存返回地址叫做 “l(fā)inking” 目標(biāo)地址是 PC-relative (PC + Sext(IR10:0) -1024+1023 第11個bit位定義尋址模式： 如果為1，PC相對尋址：目標(biāo)地址 = PC + Sext(IR10:0) 如果為0，寄存器尋址： 目標(biāo)地址 = 寄存器內(nèi)容IR8:6 能用BRnzp 指令取代嗎？,JSR指令,21,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,JSR,N

12、OTE: PC has already been incrementedduring instruction fetch stage.,22,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,和JSR相似，除了尋址模式不同 目標(biāo)地址是寄存器基址 第11個bit位定義了尋址模式 思考：JSSR具備的什么特征是JSR指令沒有的？,JSRR Instruction,23,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,JSRR,NOTE: PC has already been incrementedduring instruction fetch stage.,24,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,和系統(tǒng)調(diào)用類似 RET (JMP R7),子程序返回,25,計

13、算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,2sCompNOTR0, R0 ; flip bitsADDR0, R0, #1 ; add oneRET ; return to caller To call from a program (within 1024 instructions): ; need to compute R4 = R1 - R3ADDR0, R3, #0 ; copy R3 to R0JSR2sComp ; negateADDR4, R1, R0 ; add to R1. Note: R0是否需要保存？ 思考：子程序定義的位置？,Example: 對R0的數(shù)求反+1,26,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,

14、參數(shù) 傳遞給子程序的值，稱為參數(shù) 子程序需要利用該值來完成任務(wù) Examples: 在 2sComp 程序中, R0存放需要取負(fù)+1的數(shù) 在輸出服務(wù)程序中，R0存放需要被打印的字符 在 PUTS服務(wù)程序中, R0存放打印字符串的起始地址 返回值 由子程序輸出的值，稱為子程序的返回值， 是子程序的計算結(jié)果 Examples: 在2sComp程序中，取負(fù)+1的結(jié)果保存在 R0 在GETC服務(wù)程序中，由鍵盤輸入的字符保存在 R0,子程序的參數(shù)及返回值,27,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,為了使用子程序，程序員必須知道： 子程序調(diào)用地址(子程序標(biāo)號：入口指令的標(biāo)號) 功能(what does it do?)

15、注：程序員不需要知道子程序如何工作，但需要知道子程序運行后機(jī)器的狀態(tài)會發(fā)生什么變化 參數(shù)(怎么傳遞數(shù)據(jù)給子程序，如果需要) 返回值 (怎么獲取子程序的計算結(jié)果，如果有的話),如何使用子程序,28,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,由于子程序和服務(wù)程序類似，如果有必要的話，也需要保存和恢復(fù)寄存器內(nèi)容 一般情況使用“被調(diào)用者模式”，除了返回值 保存任何子程序內(nèi)部將修改，但子程序返回時不應(yīng)該改變的值 一般情況下，返回后恢復(fù)輸入的參數(shù)為初始值（除非被返回值修改） 注意: 如果調(diào)用任何子程序或服務(wù)程序，必須保存R7 否則，將不能返回調(diào)用程序,保存和恢復(fù)寄存器,29,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,編寫一個子程序 FirstC

16、har ,實現(xiàn)以下功能： 找到一個給定字符（字符ASCII碼保存在R0 ）在一個字符串（ R1 指向字符串首地址）中第一次出現(xiàn)的位置；返回所在內(nèi)存地址信息在R2 （內(nèi)存位置如果指向NULL表示沒有該字符出現(xiàn)）。 使用FirstChar來實現(xiàn)算法CountChar，實現(xiàn)以下功能： 計算一個給定字符（保存在R0 ）在一個字符串（ R1 指向）中的出現(xiàn)次數(shù)；結(jié)果保存在在R2。 可以在不知道FirstChar實現(xiàn)的情況下寫CountChar算法。,Example,30,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,CountChar Algorithm (using FirstChar),31,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,Coun

17、tChar Implementation,; CountChar: subroutine to count occurrences of a charCountCharSTR3, CCR3; save registersSTR4, CCR4STR7, CCR7; JSR alters R7STR1, CCR1; save original string ptrANDR4, R4, #0; initialize count to zeroCC1JSRFirstChar; find next occurrence (ptr in R2)LDRR3, R2, #0; see if char or n

18、ullBRzCC2; if null, no more charsADDR4, R4, #1; increment countADDR1, R2, #1; point to next char in stringBRnzpCC1CC2ADDR2, R4, #0; move return val (count) to R2LDR3, CCR3; restore regsLDR4, CCR4LDR1, CCR1LDR7, CCR7RET; and return,32,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,FirstChar Algorithm,33,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,FirstChar Implementat

19、ion,; FirstChar: subroutine to find first occurrence of a charFirstCharSTR3, FCR3; save registersSTR4, FCR4; save original charNOTR4, R0; negate R0 for comparisonsADDR4, R4, #1ADDR2, R1, #0; initialize ptr to beginning of stringFC1LDRR3, R2, #0; read characterBRzFC2; if null, were doneADDR3, R3, R4;

20、 see if matches input charBRzFC2; if yes, were doneADDR2, R2, #1; increment pointerBRnzpFC1FC2LDR3, FCR3; restore registersLDR4, FCR4; RET; and return,34,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,標(biāo)量積的定義：DP=sum (Xi * Yi) for i=0 to n-1 調(diào)用子程序PROD完成：Multiply R4 by R5 and add the result to R0,例子：計算標(biāo)量積,數(shù)據(jù)區(qū)定義 COUNT.FILL #6 X.FILL #31 ;

21、 X0 .FILL #-12; X1 .FILL #65; X2 .FILL #27; X3 .FILL #34; X4 .FILL #-43; X5 Y.FILL #22; Y0 .FILL #-8; Y1 .FILL #-57; Y2 .FILL #33; Y3 .FILL #70; Y4 .FILL #-53; Y5 DOTPROD.FILL #0,35,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,.ORIG x3000 AND R0,R0,#0 ; Zero dot product LEA R2,X LEA R3,Y LD R1,COUNT ADD R1,R1, #-1 ; Start i at n-1 B

22、RN DONE ; Check for n=0 ADD R2,R2,R1 ADD R3,R3,R1 LOOPLDR R4,R2, #0 LDR R5,R3, #0 JSR PROD ADD R2,R2, #-1 ADD R3,R3, #-1 ADD R1,R1, #-1 BRZP LOOP DONEST R0,DOTPROD HALT,Example code:,36,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,PRODST R7,PSAVER7 ST R6,PSAVER6 AND R6,R6, #0 ADD R6,R6, #1 ; R6 is mask reg PLOOP AND R7,R6,R4 BRZ PZE

23、RO ADD R0,R0,R5 PZEROADD R5,R5,R5 ; Double R5 (shift left 1) ADD R6,R6,R6 ; Double R6 (shift left 1) BRNP PLOOP LD R6,PSAVER6 LD R7,PSAVER7 RET PSAVER6.FILL #0 PSAVER7.FILL #0,課后研究以下乘法代碼，適合負(fù)數(shù)乘法嗎，自己仿真運行下,37,計算機(jī)系統(tǒng)I-第9章,.orig x3000 LEA R0,VECTOR LD R1,COUNT JSR SUMVEC LD R1,COUNT JSR DIVIDE ST R4,AVG HALT COUNT.FILL#14 VECTOR.FILL#63; VEC0 .FILL#21; VEC1 .FILL#-90; VEC2 .FILL#32; VEC3 .FILL#312; VEC4 .FILL#114; VEC5 .FILL#20; VEC6 .FILL#-3; VEC7 .FILL#201; VEC8 .FILL#34; VEC9 .FILL#21; VEC10 .FILL#111; VEC11 .FILL#53; VEC12 .FILL#601