MMIX [ˈɛmɪks] ist ein 64-Bit-Modellcomputer (engl. abstract machine) mit einem RISC-Befehlssatz. Donald E. Knuth benutzt ihn in seinem mehrbändigen Standardwerk The Art of Computer Programming, um die vorgestellten Algorithmen zu beschreiben. MMIX ersetzt den älteren MIX-Modellcomputer der ersten Auflagen durch eine moderne, erweiterte Version.
Knuth begründet diese Wahl mit dem Hinweis, dass das Programmieren in einer hypothetischen Assemblersprache verhindere, dass sein Werk rasch veraltet wirke. Man habe in den letzten Jahrzehnten immer wieder neue Programmiersprachen gesehen, die nur kurze Zeit Interesse fanden. Zudem erlaube eine hardwarenahe Sprache, die Probleme bei der effizienten Implementation von Algorithmen konkreter darzustellen als eine höhere Programmiersprache.
Der MMIX wird über 256 Maschinenbefehle gesteuert. Die meisten, insbesondere die arithmetisch-logischen Befehle, verwenden ausschließlich Register-Operanden. Wie moderne RISC-Prozessoren hat der MMIX mit 256 eine relativ große Zahl von Allzweck-Registern. Zusätzlich gibt es 32 Spezialregister zum Anzeigen von Fehlern und bestimmten Zuständen. Daneben erlaubt MMIX, im Gegensatz zum erwähnten MIX, auch virtuelle Adressierung und damit die Untersuchung von Speicheralgorithmen.
Die Tatsache, dass der MMIX nicht als Hardware, sondern als Software-Simulation implementiert ist, ist wohl einer der Gründe, warum er vor allem in der Forschung und der Lehre eingesetzt wird. Insbesondere auf dem Gebiet der Algorithmenentwicklung und der Effizienzmessung von Algorithmen ist der MMIX von großem Nutzen. Die Simulatorsoftware gibt Auskunft über die Laufzeit bzw. die benötigten Taktzyklen und die Anzahl der ausgeführten Befehle einzelner Algorithmen und ermöglicht so einen direkten und ungestörten Vergleich unterschiedlicher Algorithmen.
Architektur Bearbeiten
MMIX ist ein Binärcomputer mit einem 64 Bit großen virtuellen Adressraum und 32-Bit-Befehlen, die die big-endian-Konvention benutzen.
Befehle Bearbeiten
Zu allen Befehlen gehören Mnemonics, etwa ADD zu 32. Die meisten Befehle haben die Form OP X,Y,Z, wobei OP für die Anweisung steht und X für das Register, in dem das Ergebnis gespeichert wird. Der Rest bezeichnet die Operanden der Anweisung. Jedes Feld ist acht Bit breit. ADD $0,$1,3, addiert beispielsweise den Inhalt aus Register $1 zu 3 und speichert das Ergebnis in Register $0.
MMIX-Programme benutzen normalerweise die MMIXAL-Assembler-Sprache (siehe dazu die Hello-World-Seite).
Register Bearbeiten
Es gibt 256 Allzweckregister im MMIX-Chip, die von $0 bis $255 durchnummeriert sind, und 32 Spezialregister. Wenn X eine Zahl von 0 bis einschließlich 255 bezeichnet, legen die Register rL und rG fest, ob $X ein lokales oder globales Register ist.
Lokaler Register-Stack Bearbeiten
Der lokale Register-Stack führt seine eigenen Unterroutinen mit eigenen rL lokalen Registern ($0 bis $(rL-1)) durch. Die Argumente der Unterprogramme verbleiben bei Aufruf in lokalen Registern des Unterprogramms. Beim Rücksprung aus dem Unterprogramm werden die zuvor auf den Stack gelegten Register („PUSH“) zurückgelesen („POP“). Da nur 512 lokale, physische Register vorliegen, wird ein Teil des Stacks im Hauptspeicher abgelegt. Mit den Spezialregistern rO und rS kann man einsehen, welcher Teil des lokalen Registerstacks bereits im Speicher liegt.
Spezialregister Bearbeiten
Die 32 Spezialregister sind:
- rD, Dividendenregister
- rE, Epsilonregister
- rH, Himultregister
- rJ, return Jump register
- rM, Multiplex mask register
- rR, Restregister
- rBB, Bootstrap register (trap)
- rC, Cycle counter
- rN, Seriennummer
- rO, Registerstack Offset
- rS, Registerstack Pointer
- rI, Interval counter
- rT, Trap address Register
- rTT, dynamic Trap address register
- rK, Interrupt mask register
- rQ, Interrupt request register
- rU, Usage counter
- rV, Virtual translation register
- rG, Global threshold register
- rL, Local threshold register
- rA, Arithmetic status register
- rF, Failure location register
- rP, Prediction register
- rW, Where-interrupted register (trip)
- rX, Execution register (trip)
- rY, Y Operand (trip)
- rZ, Z Operand (trip)
- rWW, Where-interrupted register (trap)
- rXX, Execution register (trap)
- rYY, Y Operand (trap)
- rZZ, Z Operand (trap)
Literatur Bearbeiten
- Heidi Anlauff, Axel Böttcher & Martin Ruckert: Das MMIX-Buch. Ein praxisnaher Zugang zur Informatik. Springer, Berlin [u. a.] 2002, ISBN 3-540-42408-3
- Donald E. Knuth: MMIXware: A RISC Computer for the Third Millennium. Springer, Berlin [u. a.] 1999, ISBN 3-540-66938-8
- ders.: The Art of Computer Programming. Vol. 1, Fascicle 1: MMIX – A RISC Computer for the New Millennium. 3. Ausgabe. Addison-Wesley, 2005, ISBN 0-201-85392-2
Weblinks Bearbeiten
- Donald Knuths MMIX Seite (englisch)
- MMIX Homepage (englisch)