2023年度 システムプログラミング 質問や回答など

• subi や subiu はありません．addi, addiu に負に数を与えればいいので．

• はい．そのとおりです．書いてくれている図は，教科書に出ている図そのものですね．

• システムプログラミング2 では，syscall を使って文字列の出力をしていますから， なくても動きます．while ループで準備ができているかどうかを確認するような ポーリングループを書く場合は， 必要です． 本来 syscall だけを使う場合であっても -maped_io を付けておいて害はない筈ですが， Windows 等で動く QtSPIM では， -maped_io を付けるとまずいようです． (講義ページの「参考資料等」を参照)

• どうもありがとうございます．気をつけます．もし忘れていたら，声をかけてくれると助かります．

Practice3 の解答例0で，メイン関数の内の $a0 を $a1 に置き換えただけでプログラムが動作しなくなりましたが，理由が分かりません．

 1:         .data
 2:         .align 2
 3: msg:    .asciiz "Hello World\n"
 4: 
 5:         .text
 6:         .align 2
 7: main:
 8:         move    $s0, $ra
 9: 
10:         li      $v0, 4
11:         la      $a0, msg
12:         syscall
13: 
14:         move    $ra, $s0
15:         j       $ra

回答

それは，SPIM の OS では $v0 が実行したいシステムコールの種類を表して $a0 がその引数を表すと決めているからです． それを守らないでそれ以外のレジスタを使うと動かないでしょう．

これは，C言語の関数の引数の意味と順番は，その関数を作った人が決めていて，それを守らないと動かないのと同様で， つまりその関数が，そう書かれているからです．

同様に syscall で呼出された先に実行されるであろう print_string のプログラムは， $a0 を使うように作られているわけです． アセンブラには，「何番目の引数」や「関数」という概念がないですから，「何レジスタに入れてジャンプ」という決まりなっているわけです．

ちなみに，講義でも少し説明しましたが，このような決め事は，OS が違えば異なります．例えば，Linux のプログラムが Windows で動かない理由の一因は， OS のシステムコールに関する決まりが違うからです．

回答

上記の質問と同様に $v1 を使うことはできません． $v0 と $v1 の 2つを同時に使う場面は，OS がどう決めるかによります．例えば，64bit の値を受渡ししなければいけないような場面がある場合は， $v0 と $v1 に上位下位の 32ビットづつに分けて受渡しすることも考えられます．

解答例4では，

        .data
        .align 2
msg1:   .asciiz "Hello World\n"
msg2:   .asciiz "int1 -> "
msg3:   .asciiz "int2 -> "

となっていたが，msg1, msg2, msg3, の各行の後にも .align 2 を導入したときの効率の善し悪し， また，解答例3の

        .data
        .align 2
msg1:   .asciiz "Number1:"
msg2:   .asciiz "Number2:"
msg3:   .asciiz "Answer:"
        .align 2

となっているところ，最後の .align 2 の意味も気になった．

回答

確かに解答例3と4で最後の .align 2 の有無が違っていて気持ち悪いですね． .align 2 は，直後に置くデータが 4バイト境界になければならないデータの場合に必要です． 4バイト境界に置かれなければいけないデータというのは，例えば，32ビット整数 (.word) や，その配列です． したがって，それらがのデータの直前に限って .align 2 が必要です．

ということで，今回の解答例3,4 の .align 2 は，全てなくても動作します (.asciiz しかないので)． しかし，安全のために .align 2 を入れておくことは悪いことではないと思います．

蛇足ですが，解答例4 のように .asciiz の連続のような場合には， 個々の .asciiz の直後に .align 2 を置く必要はありません． .asciiz は，バイト単位で配置されているので，4バイト境界にする必要はないからです． (置いても問題にはなりません)

解答例3 の最後の .align 2 は，プログラム中の後ろのほうに別の .data を追加してその中に .word を置くときに .align 2 を前置するのを忘れてしまっていても大丈夫にするための予防的な記法と考えることができます． また，解答例3,4 の双方の .data の直後にある .align 2 は，逆にプログラムの前のほうに別の .data を追加した場合や， 前に .word を追加することを考えた予防的な記法ともいえます．

端末での xspim の起動コマンドを間違えて，以下のようにしてしまった．

xspim & -mapped_io

この問題が 1文字表示のプログラムは起動できるのに，2文字以上の表示では， putc2 の beqz でエラーを起こし，実行不可になることだった． 知らない意味の分かっていないコマンドを打つときは，気を付けたい．

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知らないコマンドを実行するときは，その意味を理解するように努めたほうがいいですね． & は，そのコマンドを「バックグラウンド」で動かすという意味で， & の後が別のコマンドと解釈されてしまいますね． その辺りの説明は，1年生のときに使った緑の教科書を読み返してみるといいでしょう．

解答例の putc サブルーチンの実装で，プリンタに文字をストアするときに sw を用いていましたが，文字は実際には 1バイトなので，sb で動きました．これは，SPIM 側 (プリンタ側) の都合でしょうか．

1: putc:
2:         lw      $t0, 0xffff0008         # $t0 = *(0xffff0008)
3:         li      $t1, 1                  # $t1 = 1
4:         and     $t0, $t0, $t1           # $t0 &= $t1
5:         beqz    $t0, putc               # if ($t0 == 0) goto putc
6:         sw      $a0, 0xffff000c         # *(0xffff000c) = $a0
7:         j       $ra

回答

これは，教科書A.8節 「入力と出力」に詳細が書いてあるのですが，今回のケースでは，どちらでも OK です． Transmitter Data Register (0xffff000c 番地に割当てられた印刷用) には 32ビットの領域が割当てられています が， 実際には送られた32ビットデータのうち 最下位8ビット のみを利用してプリントすると記述があるからです．

ただし，これは，SPIM のバイト順がリトルエンディアンだからです．これは，教科書A.9節 SPIM に簡単に書かれています． 例えば， 0xffff000c 番地から始まる 32ビット に 1を書いて下さいと言われたら，どうなると思いますか．

こうでしょうか:

この場合，最下位8ビットは，ffff000c + 3 つまり ffff000f に位置していますから， sb で 1バイトだけ書くとすれば，， ffff000c ではなく ffff000f に sb するのが正解です．

このように，8ビット (1バイト) 以上の値を下位の桁に行くにつれて後ろに置く方式の事を ビッグエンディアン 方式といいます．この方式は，桁の小さいほうを後ろに書くので，人間の感覚に近い方式とも言えます．

一方，SPIM では，リトルエンディアンという，桁の小さい方からメモリに置く方式を採用しています．つまり，こうです:

この場合は， 最下位8ビットが先頭，つまり ffff000c に位置していますから，ffff000c に sb で 1 を書いても sw で 1 を書いても 最下位8ビットに1を書いている ことになっていて，SPIM の Transmitter Data Register の仕組みに合致しています．

以上のことから，sb で動くのは， たまたま SPIM がリトルエンディアン だったからなので， バイト順(エンディアン) のような面倒な事を考慮したくなければ，sw を使うのが正解です．

回答

C言語でいうところの，static 変数を宣言している個所は，プログラム実行前にデータ領域を確保していることになるので，.data の後に .word や .byte を書くのに対応しています． テキストは，プログラムそのものです．

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次回も続きをやるのでお楽しみに

回答

0 も 00 も，この問題の文脈では，同じです． あえて区別したいなら，むしろ if=0 のほうがよいです．

なぜなら，説明文中で 00 が使われている個所は， 番地 Y を表現する記述として用いられていますが， if=0 で用いられている 0 は，整数値 X に対応する 0 で，別物だからです．

回答

これは，C言語でいうと， *($a0 + 0) という意味です．つまり， $a0 番地の中身に $a1 を代入するという意味です． 一方，

move $a1, $a0

は，

$a1 = $a0

に相当するので，単に $a1 に $a0 の値そのものを代入するという意味になります．

回答

はい．そうなりますね．試しに space 400 の後に別の .word を置いて，そこが書き変わるのを試してみるといいでしょう．

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演習室には，Git というバージョン管理のツールがインストールされています．使いこなせるようになると便利ですよ．

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これは，実際にステップ実行などで，プログラム動かしながら何が起きているかを観察する必要がありますね．

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input 関数は，どこからでも使えるような関数になっていますか? 引数以外に暗黙の情報共有をしていないように作りましょう．

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はげますなら，今週の自分のほうがいいと思いますよ．

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役に立っているのが分かってよかったです．

回答

うまく書くと stack を使わないで書けることもあります． fact 関数のように $ra$ レジスタや $a0 を保存したりする領域を必要とすることが多いです．

回答

プログラミング全般に言えることですが，とにかく短かいプログラムで動作確認をこまめにすることです．いきなり完成形を作るのではなく．

• 例えば， test_prime を作るとして，いきなり書き上げるのではなく，割った余りを表示するだけのプログラムを作るところからはじめます．
• また，print_int や print_stirng をプログラム中のいたるところに挿入して表示させるのを 簡単にできる ようにしておきましょう． そのためには，手続き呼出し規約にのっとった， print_int のようなプログラムを常に使えるようにしておくことです．

回答

いくつかあると思います．

• 自分のためにコメントを書く．アセンブラは1つ1つの命令でできることが限られているので，何個かの命令で C言語の1命令に相当することが多いです． そういう対訳をコメントとして書きましょう．また C言語の文単位ぐらいで空行を入れてやると理解しやすくなります．
• できるだけ新規にプログラムを書かないようにしましょう．動くことが分かっている小さな部品(関数) を組み合わせてプログラムを作りましょう．
  • たとえば， $v0 に値を入れて syscall を呼ぶのではなく，以前定義した print_string や read_int を使い回しましょう．
• 一度に大きなプログラムを動かさないようにしましょう．
  • 例えば， test_prime ができたと思ったら，単体で動作確認のテストプログラムを書きましょう．今回の main 関数は， test_prime に比べても複雑です．
  • 私なら，まず test_prime を 愚直に引数 ($a0) を変えてループなど作らずに素直に 5回だけ実行する main を作ります． (hello を putc 5回呼ぶことで作りましたよね)

回答

図付きで書いてくれていましたが，呼べると思います．C言語と同じように考えてください． 例えば，test_prime は関数であるためには，

1. x行目からy行目までの一連の行でできている (飛び地がない)．
2. x行名 (関数の先頭) 以外の行に関数外 (x行目-y行目以外) からジャンプしているようなカ所がない．
3. 外からは，必ず jal でしか呼ばれない．
4. 終了時は，かならず j $ra で終了する．

回答

いいえ．どちらも $a0-$a3 も関数の中で壊してもよいレジスタです． what-is-calling-convention.html にある通りです．ここで気を付けなければいけないのは，関数の中で壊されてもよい変数として使ってよいということは，

• 呼出される側を主体に取ると，「自由に書換えてよい」という意味ですが
• 呼出し側を主体で見ると，「壊れる恐れがあるレジスタ」という意味です．

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そのための TA ですから，よく質問してあげてください．それと今年度の皆さんは， C言語 (ポインタ回り) の理解が不十分なことが，アセンブラを理解しづらい原因の1つになっているような気がします． プログラミング演習の内容を復習してみることも1つの方法だと思います．

回答

jal は，演習問題としても皆さんに提出してもらって，既出なので講義資料をよく読み換えしてもらうとして，j と jr は 過去の質問にもあるので，読んでみてください．

回答

そんなことはありません

回答

そんなことはりませ．具体的には，シンボルとその大きさだけが入っていて，BSS 領域に確保されてから，main 関数が呼ばれます．

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どう見ても違うと思うのですが．

回答

lw じゃなくて， li じゃないでしょうか．これは，FAQ に載っているので，参考にしてください．

• 関数の開始と終了において全てです．

回答

実際のコードを見せてもらえると，もっといいアドバイスができると思いますが，おそらく putX を複数作る時点で悪手だと思います．「最後だけは」といった仮定や (それが最後かどうかは，プログラムの都合でいつも変わります) 戻るという操作をしないというのは，では，具体的にどういう操作を代わりにするのでしょうか．戻る操作をしないでプログラムの実行が下に流れて行くのに任せるとプログラムが暴走してしまいそうです． 特定の番地に戻るということを仮定してしまうと，それは，main ではないところから呼べなくなってしまいます．

関数は，入口と出口の形式 (インタフェース) を統一することでいつも同じ形で呼出しできるプログラムになっていないといけません．

回答

はい．スーパーマリオの時代のゲームは，ほぼそうだと思います． セガの開発技術部のブログの記事が面白いかもしれません．

アセンブリ言語: 最も原始的でハードウェアに近い言語で ある アセンブリ言語 は、大きなプログラムを書くことに は向いていませんが、特に高速に処理を行いたい部分にピ ンポイントに利用されています。

回答

はい．その通りです．例えば，演習室の gcc は，C言語から Intel の CPU (x86 という) の命令セットを出力するコンパイラです． SPIM 用には，spim-gcc というコンパイラを用意しています．そのコンパイラが動くCPUとは別のCPUのためのコンパイラをクロスコンパイラと呼びます．

回答

データセグメントにはデータが，テキストセグメントにはプログラム (テキスト)が置かれる．詳細な説明に関しては，Practice2-3 の解説で述べている．

回答

手続き呼び出し規約に基づいておけば問題ありません．具体的にどう困っているのでしょうか．「上手」の基準が不明確です．

回答

printf は，システムプログラミング2 で実際に実装するべき大きな課題で，現時点で printf を実際に使ったプログラムを動作させることは難しいでしょう． 教科書の解答例は，あくまでも printf が既にあると仮定しての解答例です．実際には，printf 相当を print_string や print_int システムコールで代替する必要があります． それを示したものが 解答例2 です．

回答

main 自身も呼ばれる立場の関数なので，そもそも main 中で $s0 を使用する場合，事前に値を退避する必要があります． つまり，いずれにしても main 関数でスタックを確保しなければなりません．

回答

数式モードではなく，プログラム中のシンボルは，verb コマンドを用いて下さい．

回答

$spは，スタック最上位アドレス(つまり，メモリをどこまで使ったか) を示すレジスタです．$fpは，スタック最下位アドレス(つまり，メモリをどこから使ったか)を示すレジスタです．

回答

アセンブラでなくとも，プログラミングは，正解が1つではありません． 手続き呼び出し規約に基づいた記法に従った上で，いい方法を考えてください．

回答

講義でも説明しましたが，.rdata は，読み出し専用のデータセグメントを指します． 定数データは，書換える必要がないので，他と区別することがあります． そうすることで，ROM に配置したりできるからです．

回答

.globl main は，mainが外部から参照可能になることを示しています． 複数のファイルでプログラムを作った場合に，そのシンボルが他のファイル中から参照できるかどうかを指定します． 今回の演習では，気にしなくても問題ありません．

Practice3の解答例1において，以下の記述があった．

move $s0, $ra
...(中略)...
move $ra, $s0

この2行を省いた場合でも結果が変わらなかったのだが，これは必要なのか．

回答

現時点までの講義内容からでは，システムコールが $ra を書き換えな いという保証はない．このため，システムコールを呼ぶ前に $ra の値 を退避させている．実際には，システムコールで $ra の値が書き換え られることはないため，上記の記述を省いた場合でも結果は変わらない．

回答

read_int の場合，代入先のレジスタは $v0 で，それにはシステムコール番号が入っているため，関係ない． 初期化というのは，使用する前に不定な値が入っている状態にならないために必要なので，この場合には，それにあたらない．

回答

スタックポインタは，新たにスタックを確保した際に，どの領域が利用 可能かを示すために用いられる．詳細に関しては，Practice4-1 の解説に記載されている．

回答

講義のページ中に記載がある．以下のページにレポートの書き方が記載されているため参考にすると良い． http://www.swlab.cs.okayama-u.ac.jp/~nom/lect/common/report.html

回答

j 命令はオペランドがラベルであるのに対して，jr 命令はオペランドがレジスタである． ただし，SPIMでは，j 命令のオペランドがレジスタであっても，アセンブラが読み換えてくれるので，講義中では区別されていない．

回答

add 命令が符号有りの加算であるのに対して，addu 命令は，符号なし，あるいはオーバーフローなしの加算である． つまり，nビットの整数 2のn上-1 を -1 と見るか，そのまま 2のn乗 -1 と見るかが異なる．

回答

減算は負の数の加算と同じであるので，単純化のために MIPS には subi 命令は存在しない．

.byte について，

.byte 72,110,0
.byte 72, 110, 0

前者では動かず，後者では動いた．「,」の後のスペースはプログラムの挙 動に関係しているのか．

回答

演習室の xspim では，.byte において，「,」の後のスペースがないと，Syntax Error となるようです．