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Aula-02. Arquitetura do conjunto de instruções – ISA (Instruction Set Architecture). Arquitetura do Conjunto de Instruções Instruction Set Architecture (ISA). software. Conjunto de instruções. hardware. Computador de von Neumann. - instruções e dados na mesma memória

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Presentation Transcript

  1. Aula-02 Arquitetura do conjunto de instruções – ISA (Instruction Set Architecture)

  2. Arquitetura do Conjunto de Instruções Instruction Set Architecture (ISA) software Conjunto de instruções hardware

  3. Computador de von Neumann - instruções e dados na mesma memória - as instruções são lidas da memória e executadas na unidade de processamento, uma a uma - as instruções são armazenadas na mesma seqüência da execução - a unidade de controle é responsável pelo controle da leitura e execução das instruções

  4. Arquitetura do Conjunto de InstruçõesInstruction Set Architecture (ISA) • O que vem a ser um conjunto de instruções? • a fronteira entre o hardware e o software • cada instrução é diretamente executada pelo hardware • Como é representado? • por um formato binário pois o hardware só entende bits • os entes físicos são bits, bytes, words, n-words • tamanho de palavra (word) é tipicamente 32 ou 64 bits hoje em dia, • mas pequenos tamanhos são encontrados em processadores embarcados e • processadores DSPs • opções – formatos de comprimentos fixos e variáveis • Fixos – cada instrução codificado num campo de mesmo tamanho • (tipicamente uma palavra) • Variáveis – meia palavra, palavra, múltiplas palavras

  5. Abstração • Descendo no nível de abstrações revelam-se outras informações

  6. Exemplo ampliado swap(int v[], int k); { int temp; temp = v[k] v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31

  7. Características das instruções • Usualmente uma operação simples • Identificada pelo campo de op-code • Mas operações requerem operandos – 0, 1 ou 2 • Para identificar onde eles estão, eles devem ser endereçados • Endereço é para uma parte do armazenamento • Possibilidades típicas de armazenamento são memória principal, • registradores ou pilha • 2 opções: endereçamento explícito ou implícito • Implícito – o código de operação (op-code) implica no endereço dos operandos • ADD numa máquina a pilha – retira (pop) 2 elementos do topo da pilha, • e coloca (push) o resultado • Explícito – o endereço é especificado em algum campo da instrução • notar o potencial para 3 endereços – 2 operandos + 1 destino • quais são as vantagens do endereçametno de registradores vs memória

  8. Que operações são necessárias • Aritmética + lógica • ADD, SUB, MULT, DIV, SHIFT – lógico e aritmético, AND, OR, XOR, NOT • Transferência de dados – copy, load, store • Controle – branch, jump, call, return, trap • Sistema – gerenciamento de memória e SO • Ponto Flutuante • Mesmo que as aritméticas porém usam operandos maiores • ecimal – se fosse operar em decimal • String – move, compare, search • Manipulação de campos de bits

  9. Arquitetura do Conjunto de Instruções do MIPS: • Iremos trabalhar com a arquitetura do conjunto de instruções MIPS, projetado na Universidade de Stanford pela equipe do • Prof. John Hennessy. • similar a outras arquiteturas desenvolvidas desde 1980 • Princípio da regularidade, p.ex.: todas as instruções de 32 bits • Princípio da simplicidade, p.ex.: instruções simples, somente 3 formatos de instruções • Usado por NEC, Nintendo, Silicon Graphics, Sony

  10. Aritmética MIPS • Todas as instruções tem 3 operandos • A ordem dos operandos é fixa (primeiro o operando destino)Exemplo: C code: A = B + C MIPS code: add $s0, $s1, $s2 (associado às variáveis pelo compilador)

  11. Aritmética MIPS • Princípio: simplicidade favorece regularidade. • C code: A = B + C + D; E = F - A; MIPS code: add $t0, $s1, $s2 add $s0, $t0, $s3 sub $s4, $s5, $s0 • Os operandos devem ser registradores • Somente 32 registradores disponíveis no MIPS

  12. Control Input Memory Datapath Output Processor I/O Registradores vs. Memória • Os operandos de instruções arithméticas devem ser registradores, — somente 32 registradores disponíveis • O compilador associa variáveis a registradores • E programas com um número grande de variáveis?

  13. Organização de Memória • Vista como um grande vetor unidimensional, com endereços. • Um endereço de memória é um índice para o vetor • "Byte addressing" significa que o índice aponta para um byte de memória. 0 8 bits of data 1 8 bits of data 2 8 bits of data 3 8 bits of data 4 8 bits of data 5 8 bits of data 6 8 bits of data ...

  14. Organização de Memória • A maioria dos dados usam palavras ou "words" • Para MIPS, um word é constituído de 32 bits ou 4 bytes. • 232 bytes têm endereços de 0 a 232-1 • 230 words têm endereços de bytes 0, 4, 8, ... 232-4 • Words são alinhados:O que significam os dois bits menos significativos de um endereço de word? 0 Os registradores carregam dados de 32 bits 32 bits of data 4 32 bits of data 8 32 bits of data 12 32 bits of data ...

  15. Instruções de referência à memória • Instruções Load-Word e Store-Word • Exemplo: C code: A[8] = h + A[8]; MIPS code: lw $t0, 32($s3) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 32($s3) • Store-Word tem destino por último • Lembrar que os operandos aritméticos são de registradores, não de memória!

  16. Nosso Primeiro Exemplo swap(int v[], int k); { int temp; temp = v[k] v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31

  17. O que vimos: • MIPS — carrega words mas endereça bytes — aritmética somente usando registradores • InstruçãoSignificadoadd $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 – $s3lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1, 100($s2) Memory[$s2+100] = $s1

  18. Linguagem de Máquina • Instruções, como registradores e words, tem também 32 bits • Exemplo: add $t0, $s1, $s2 • registradores tem numerações, $t0=9, $s1=17, $s2=18 • Formato de Instruções aritméticas - tipo-R (registradores): • op rs rt rd shamt funct • 000000 10001 10010 01001 00000 100000

  19. Linguagem de Máquina • Considerar as instruções load-word e store-word, • Introduz um novo tipo de formato de instrução • tipo-I para instruções de transferência de dados • outro formato é o tipo-R para registradores • Exemplo: lw $t0, 32($s2) • Formato das instruções tipo-I • op rs rt 16 bit number • 35 18 9 32

  20. Processor Memory Conceito de Programa Armazenado na memória (von Neumann) • Instruções são conjunto de bits • Os programas são armazenados na memória —para serem lidos e executados • Se as instruções estão na mesma memória como os dados, elas podem também serem lidas e escritas como se fossem dados. • Ciclos de Fetch & Execute • Instruções são lidas (fetched) e colocadas num registrador especial • Os bits no registrador "controlam" as ações subsequentes • Busca (Fetch) a próxima instrução e continua memory for data, programs, compilers, editors, etc.

  21. Instruções de Controle • Instruções de tomadas de decisão • altera o fluxo de controle, • i.e., muda a próxima instrução a ser executada • Instruções de desvio condicional do MIPS: bne $t0, $t1, Label beq $t0, $t1, Label • Exemplo: if (i==j) h = i + j;bne $s0, $s1, Label add $s3, $s0, $s1 Label: ....

  22. Instruções de Controle • Instruções de salto incondicional do MIPS: j label • Exemplo:if (i!=j) beq $s4, $s5, Lab1 h=i+j; add $s3, $s4, $s5 else j Lab2 h=i-j; Lab1: sub $s3, $s4, $s5 Lab2: ...

  23. op rs rt rd shamt funct op rs rt 16 bit address op 26 bit address Revisão: • InstruçãoSignificadoadd $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 + $s3sub $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 – $s3lw $s1,100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1,100($s2) Memory[$s2+100] = $s1bne $s4,$s5,L Next instr. is at Label if $s4 = $s5beq $s4,$s5,L Next instr. is at Label if $s4 = $s5j Label Next instr. is at Label • Formatos: R I J

  24. Fluxo de Controle • Temos: beq, bne, que tal Branch-if-less-than? • Nova instrução: if $s1 < $s2 then $t0 = 1 slt $t0, $s1, $s2 else $t0 = 0 • Pode-se usar essa instrução para "blt $s1, $s2, Label" — pode agora construir estruturas de controle geral • Note que o assembler precisa de um registrador para tal, — existe uma regra para o uso de registradores

  25. Regra para o uso de registradores

  26. Constantes • Constantes pequenas são usadas frequentemente (50% dos operandos) p.ex., A = A + 5; B = B + 1; C = C - 18; • Soluções? • Colocar as constantes típicas nas instruções • criar registradores hardwired (como $zero) para constantes como um. • Instruções MIPS: addi $29, $29, 4 slti $8, $18, 10 andi $29, $29, 6 ori $29, $29, 4

  27. Preenchido com zeros 1010101010101010 0000000000000000 1010101010101010 1010101010101010 E as constantes maiores? • Gostariamos de carregar constantes de 32 bits em um registrador • Devemos usar duas instruções, a instrução "load upper immediate" lui $t0, 1010101010101010 • Então devemos carregar os bits menos significativos à direita, i.e.,ori $t0, $t0, 1010101010101010 1010101010101010 0000000000000000 0000000000000000 1010101010101010 ori

  28. Ling. Assembly vs. Ling. de Máquina • Assembly provê uma representação simbólica conveniente • Mais fácil que escrever números • P.ex., o operando destino é o primeiro • A linguagem de máquina é a realidade num nível inferior • P.ex., destino não é o primeiro • Assembly pode prover 'pseudoinstruções' • P.ex., “move $t0, $t1” existe somente em Assembly • Seria implementada usando “add $t0,$t1,$zero” • Quando o assunto é o desempenho devem ser consideradas as instruções reais

  29. Visão geral do MIPS • Instruções simples todas de 32 bits • Bem estruturadas • Somente três formatos de instruções • Confiar no compilador para obter desempenho — quais são os objetivos do compilador? • Ajudar o compilador onde é possível op rs rt rd shamt funct R I J op rs rt 16 bit address op 26 bit address

  30. Endereços em Branchs e Jumps • Instruções: • bne $t4,$t5,LabelA próxima instrução é no Label se $t4 <>$t5 • beq $t4,$t5,Label A próxima instrução é no Label se $t4 = $t5 • j LabelA próxima instrução é no Label • Formatos: • Endereços não são de 32 bits — Como manipulá-los com instruções de load e store? op rs rt 16 bit address I J op 26 bit address

  31. Endereços em Branchs • Instruções • bne $t4,$t5,LabelA próxima instrução é no Label se $t4<>$t5 • beq $t4,$t5,LabelA próxima instrução é no Label se $t4=$t5 • Formatos: • Pode especificar um registrador (como lw e sw) e adicioná-lo ao endereço • usar Instruction Address Register (PC = program counter) • A maioria dos branchs são locais (princípio da localidade) • Instruções de Jump usa apenas os bits de alta ordem do PC • Limite de endereçamento de 256 MB op rs rt 16 bit address I

  32. Resumindo: Posição rápida para os dados: os dados devem estar em registradores para realizar aritmética Registrador $zero sempre contem valor 0 Registrador $at é reservado para o assembler manipular constantes grandes Memória: acessada somente por instruções de transferência de dados Endereçado por bytes, tal que as palavras seqüenciais difiram de 4 no endereço Memória contem estrutura de dados, como arrays, e valores de registradores que transbordaram

  33. Arquiteturas Alternativas • Alternativas de Projeto: • Prover operações mais potentes • A meta é reduzir o número de instruções executadas • O perigo é um tempo de ciclo mais lento e/ou um CPI maior • As vezes referidos como “RISC vs. CISC” • virtualmente todos os novos conjuntos de instruções desde 1982 tem sido RISC • Veremos o PowerPC e 80x86

  34. PowerPC • Indexed addressing • exemplo: lw $t1,$a0+$s3 #$t1=Memory[$a0+$s3] • O que devemos fazer no MIPS? • Update addressing • Atualizar um registrador como parte do load (para operar sobre elementos de vetores) • exemplo: lwu $t0,4($s3) #$t0=Memory[$s3+4];$s3=$s3+4 • O que devemos fazer no MIPS? • Outros: • load multiple/store multiple • Um registrador contador especial “bc Loop” decrementar o contador, e se não for 0 vai para loop

  35. Intel 80x86 A partir do 80386 , também chamado de IA-32 • 1978: Intel 8086 é anunciado (arquitetura de 16 bits) • 1980: 8087 é adicionado o coprocessador de ponto flutuante • 1982: 80286 aumenta o espaço de endereçamento para 24 bits, + instruções • 1985: 80386 estende para 32 bits, novos modos de endereçamento • 1989-1995: 80486, Pentium, Pentium Pro e algumas novas instruções (a maioria para melhorar o desempenho) • 1997: MMX é adicionado“This history illustrates the impact of the “golden handcuffs” of compatibility“adding new features as someone might add clothing to a packed bag”“an architecture that is difficult to explain and impossible to love”

  36. Uma arquitetura dominante: 80x86 • Complexidade: • Instruções de 1 a 17 bytes • um operando deve agir como fonte e destino • um operando pode vir da memória • Modos de endereçamento complexos p.ex., “base ou scaled index com deslocamento de 8 ou 32 bit” • Salvando a graça: • As instruções mais frequentemente usadas não são tão difíceis de serem construidas • Os compiladores evitam as porções da arquitetura que são lentas • “what the 80x86 lacks in style is made up in quantity, making it beautiful from the right perspective”

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