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Capítulo 3. Arquitectura Del set De Instrucciones Del Microprocesador MIPS.

Capítulo 3. Arquitectura Del set De Instrucciones Del Microprocesador MIPS. Instrucciones. Los Registros arquitectónicos. Modos de direccionamiento. Tipos de datos. La pila.

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Capítulo 3. Arquitectura Del set De Instrucciones Del Microprocesador MIPS.

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  1. Capítulo 3. Arquitectura Del set De Instrucciones Del Microprocesador MIPS. Instrucciones. Los Registros arquitectónicos. Modos de direccionamiento. Tipos de datos. La pila Esta obra está bajo una licencia Attribution-ShareAlike 2.5 de Creative Commons.Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ o envie una carta a Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. (CC) 1999-2010, José M. Foces-Morán.

  2. ¿Qué significa ISA ? • ISA significa Instruction Set Architecture • Es una abstracción esencial • Representa el punto de vista de un programador que posee el mayor nivel de privilegio en el acceso a los recursos ofrecidos por el computador. • No representa un úniconivel: en diversas situaciones sus componentes pueden ser distintas. • Esta abstracción representa todos los recursos necesarios para programar un computador. • Nivel más bajo que el de los lenguajes de alto nivel. • Las instrucciones de control de flujo ofrecen unas posibilidades muy básicas. • Las operaciones son también muy básicas. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  3. Objetivo de este capítulo. • Aprender una ISA simple: La del microprocesador MIPS. • Cómo afectan al hardware resultante las opciones disponibles en sus diversas componentes. • El concepto de programa almacenado. • La representación uniforme de datos e instrucciones. • Cómo los lenguajes de alto nivel hacen uso de las posibilidades de la ISA. • Usaremos el lenguaje C. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  4. Princeton vs. Harvard • Von Neumann trabajó en la Universidad de Princeton • La memoria contiene las instrucciones y los datos • CISC: Complex Instruction set Computer • En la Universidad de Harvard probaron otra organización • Dos memorias separadas • Instrucciones • Datos • RISC: Reduced Instruction Set Computer. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  5. El microprocesador MIPS • Una ISA del tipo RISC. • Reduced Instruction Set Computer. • Proyecto dirigido por el Prof. Hennessy. • Usada por: • NEC, Nintendo, Silicon Graphics, Sony, etc. • Una ISA simple, bastante ortogonal, potente y fácilmente estudiable. • SPIM: Un simulador del microprocesador MIPS.Lo emplearemos en algunas prácticas. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  6. Las instrucciones representan operaciones. • Todas las instrucciones aritméticas y lógicas de la ISA MIPS tienen tres operandos. • El orden de los operandos es fijo. • Ejemplo: Sumar b y c, salvar resultado en a. • a = b + c add a, b, c Operando fuente 2 Instrucción Operando fuente 1 Mnemónico de la instrucción Operando de destino (C) 1999-2010, José M. Foces-Morán.

  7. Operandos para la ALU: Registros. • La ALU sólo opera sobre registros (RISC) • Entonces, a, b y c han de ser registros. add a, b, c Operando fuente 2 Operando fuente 1 Nemónico de la instrucción Operando de destino (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  8. Dos tipos de registros. • Noarquitectónicos. • Son necesarios para que el microprocesador pueda salvar resultados intermedios a lo largo de la ejecución de una instrucción (Intra-instrucción). • Los estudiaremos en el capítulo 5. • Arquitectónicos. • Permiten que guardemos resultados temporales, los cuales, podrán ser usados por instrucciones posteriores (Inter-instrucción). • Ejemplo: Realizar un programa que multiplique por 4 el contenido de $t0 y salve el resultado en $t1. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  9. Registros arquitecturados MIPS, I. Comunicación de resultados entre instrucciones. • Ejemplo: Realizar un programa que multiplique por 4 el contenido de $t0 y salve el resultado en $t1. add $t1, $t0, $t0 #2 * $t0 guardado en $t1 add $t1, $t1, $t1 #2 * $t1 guardado en $t1, o sea 4*$t0 $t1 guarda el doble de $t0 temporalmente para que la siguiente instrucción calcule su doble, a su vez. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  10. Registros arquitecturados MIPS, II. • MIPS contiene 32 registros de propósito general [GPR, General Purpose Register]. • El ancho de cada registro es de 32 bits. • MIPS es una arquitectura de 32 bits. • $0 siempre vale 0. • Los nombres son $1 .. $31. • Reciben otros nombres (alias) que estudiaremos en breve. • Las instrucciones aritmético-lógicas (ALU) sólo operan sobre registros: • MIPS es una arquitectura load-store. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  11. MIPS: Una ISA load/store LOAD ALU D D D D STORE (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  12. Compilación de una expresión a base de operadores + y -. • f = (g + h) – (i + j); • f : $s0, g : $s1, h : $s2, i : $s3, j : $s4 add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1 • Las variables de este programa son simples: contienen un único dato de ancho 32 bits. • ¿Cómo se pueden construir agregados de datos (arrays) cuando se programa a nivel de ISA (Lenguaje de ensamblaje)? (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  13. Ya visto: Los operandos posibles en la ISA de MIPS • Las instrucciones aritméticas y lógicas de MIPS sólo aceptan registros como operandos. • No existe ninguna instrucción en la ISA que nos permita sumar el contenido de una dirección de memoria con el contenido de un registro. • Tanto los operandos fuente como el operando de destino deben ser registros. sub $22, $10, $9 (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  14. El fichero de registros de MIPS • Contiene 32 registros de 32 bits de ancho cada uno de ellos. • Los nombres son $0 .. $31 • También reciben otros nombres que tienen que ver con las funciones específicas de cada registro. • Por ejemplo: • $s0, $s1 etc. son los registros que emplearemos para las variables de los programas de ejemplo escritos en C. • $t0, $t1 etc. Son los registros temporales que emplearemos al compilar los programas escritos en C. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  15. La memoria de los sistemas basados en MIPS (i) • Claramente, el número de registros (32), es pequeño. • La memoria está organizada en casillas de 8 bits de ancho cada una de ellas. • Cada una de las casillas de 8 bits está identificada por su dirección de memoria. • El número de posiciones de memoria es muy grande en comparación con el número de registros. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  16. La memoria de los sistemas basados en MIPS (ii) • La memoria es muy amplia. • Si la ALU sólo opera sobre registros… Continuamente deberemos acceder a la memoria en busca de datos: • Cargar el dato en un registro (load). • Cargar el otro dato en otro registro (load). • Efectuar la operación cuyo resultado se obtendrá en otro registro (Aritmética-lógica). • Salvar el resultado en su dirección de memoria (store). • MIPS es una arquitectura load-store. • El tamaño de palabra de la ISA MIPS es 32 bits. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  17. Modelo funcional de la memoria • Cada posición de memoria guarda un dato de 8 bits (1byte). • Cada posición tiene un nombre, un entero de 32 bits • Conocido como dirección de memoria • La primera es la 0 • La última es la 232-1 • Ya estudiaremos las estructuras y la tecnología (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  18. Ejemplo: Instrucción Load Word lw • Una instrucción de lectura de una palabra de 32 bits (load word). lw $t0, 8($s3) Un dato presente en memoria • En la dirección = $s3 + 8 El registro al que se transfiere el dato leído desde la memoria. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  19. [repetición]  lw $t0, 8($s3) La word que se carga en $t0 procede de La dirección de memoria 0x1008. Un dato presente en memoria, aunque denotemos un registro …y, una constante ¿Cuál es su dirección? Dirección = $s3 + 8 Si $s3 contiene 0x1000, entonces la dirección de memoria efectiva es 0x1008 (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  20. lw $t0, 8($s3) Un ejemplo. • Supongamos que $s3 contiene 0x00001000. • La dirección formada es = 0x1000 + 8 • Supongamos que esta dirección contiene 0x1c8d273f • El dato que se carga en $t0 es 0x1c8d273f (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  21. Lectura de memoria: más detalles. • El dato en memoria se ha de extender a lo largo cuatro posiciones consecutivas: • El dato tiene 32 bits (4 bytes) • Cada posición de memoria: 1 byte • Son necesarias 4 posiciones seguidas. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  22. Hay varias formas de construir el dato en el registro. • Extremista-superior: La posición de memoria del dato (0x1008) contiene el byte alto del dato • Así funciona MIPS. • Extremista-inferior: La posición de memoria del dato (0x1008) contiene el byte bajo del dato • Así funciona el i386ex. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  23. MIPS es big-endian (Extremista superior). • Una word ocupa 4 posiciones de memoria. • La word que reside en la posición de memoria D está formada por los bytes que residen en las direcciones siguientes: • D, D+1, D+2 y D+3. • Se usan dos formas de cargar esa word en un registro: • Cargando el extremo superior en primer lugar (Big endian) • Cargando el extremo inferior en primer lugar (Little endian). • ¡SPIM es little-endian! (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  24. lw $t0, 8($s3) ¡intel!  (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  25. lw $t0, 8($s3) ¡MIPS! (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  26. La instrucción sw: store word. LOAD: lw ALU D D D D STORE: sw (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  27. La instrucción sw: store word. • Salva la word contenida en $t0 en la posición de memoria 8+$s3. • sw $t0, 8($s3) La posición de memoria donde se salvará el contenido de $t0 El registro cuyo contenido se va a salvar en memoria (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  28. Un programa en C que usa las instrucciones lw y sw. • Compilar la expresión siguiente: //Crear un array de 100 enteros (1 word cada uno) int A[100]; A[8] = h + A[8]; • A[100] está formado por un conjunto de 100 enteros guardados en memoria consecutivamente. • Cada entero (int) ocupa una word • A[100] ocupa 100 words (400 bytes). • Para hacer la suma (+) necesitamos que A[8] y h estén cargados en sendos registros. • Asociaremos h al registro $s2., por ejemplo. • $s3 contiene la dirección de memoria que es la base del array llamado A[]. • Cargaremos A[8] en el registro $t0. • Sumaremos $t0 y $s2 y pondremos el resultado en $t0. • Salvaremos el resultado recién obtenido en la dirección de memoria A[8]. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  29. Un programa en C que usa lw y sw (ii) • Compilar la expresión siguiente: A[8] = h + A[8]; • Calcular la dirección donde está A[8] • $s3 contiene la dirección base del array A[] • 8 x 4 = 32 • 4bytes/word, $s3(32) representa la dirección del entero A[8] • Cargaremos el contenido de A[8] en el registro $t0. • lw $t0, 32($s3) • Sumamos $s2 y $t0 y guardamos el resultado en $t0. • add $t0, $t0, $s2 • Guardamos este resultado en la dirección de memoria de A[8]. • sw $t0, $s3(32) (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  30. Un programa en C que usa lw y sw (iii) • Compilar la expresión siguiente: A[8] = h + A[8]; • $s3 contiene la dirección base del array A[] • 0($s3) “apunta a”A[0] • 4($s3) “apunta a”A[1] • 8($s3) “apunta a”A[2] • 12($s3) “apunta a”A[3] y, así sucesivamente. • lw $t0, 32($s3) • add $t0, $t0, $s2 • sw $t0, 32($s3) (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  31. Ejemplo de lw y sw más sofisticado • Compilar la expresión siguiente: A[i] = h + A[i]; • Asociamos h al registro $s2, como en el ejemplo precedente. • $s3 contiene la dirección de memoria base de A[]. • La variable i la asociamos al registro $s4. • La dirección de memoria de A[i] será: • (Dirección Base de A) + (4  i) • ¿Por qué multiplicamos por 4? • Cada word tiene 4 bytes • Cada byte ocupa una dirección de memoria  add $t1, $s4, $s4 ; i * 2 add $t1, $t1, $t1 ; i * 2 * 2 (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  32. Ejemplo de lw y sw más sofisticado • Compilar la expresión siguiente: A[i] = h + A[i]; • Formamos la dirección de memoria de A[i]: • add $t2, $t1, $s3 • Cargamos el dato dentro del registro $t1, p.ej.: • lw $t1, ($t2)0 • Sumamos h a $t1: • add $t1, $s2, $t1 • El resultado, esto es, el contenido del registro $t1 lo salvamos en memoria –en la misma dirección de memoria de A[i]: sw $t1, ($t2)0 Dirección de memoria de A[i] (i * 4) A[] (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  33. Ejemplo de lw y sw más sofisticado • Compilar la expresión siguiente: A[i] = h + A[i]; add $t1, $s4, $s4 add $t1, $t1, $t1 add $t2, $t1, $s3 lw $t1, ($t2)0 add $t1, $s2, $t1 sw $t1, ($t2)0 (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  34. Las instrucciones [cadenas de 32 bits] tienen dirección de memoria. • [Instrucciones y datos se representan del mismo modo]. • La forma binaria de las instrucciones MIPS tienen 32 bits (todas). • Cada instrucción ocupa 4 direcciones de memoria seguidas. • Por tanto, una instrucción, al igual que un dato, posée dirección de memoria. • ¿Cuál es la dirección de memoria de una instrucción? • Las direcciones de memoria de los datos [Variables, arrays] las representamos simbólicamente con el operador &: &contador1 • Las direcciones de memoria de las instrucciones también se pueden representar simbólicamente mediante una etiqueta: inicio: (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  35. Etiquetas de datos y código en SPIM. Explicad qué operación lleva a cabo este programa: .data Astart: .word 0x00000060, 0x00000050, 0x00000040 .word 0x00000010, 0x00000000 .word 0x00000000, 0x10101010, 0x20202020 .word 0x30303030, 0x40404040 .text .globl main main: la $t0, Astart li $t1, 4 move $t2, $zero siguiente: lw $s0, 0($t0) beq $s0, $zero, es_cero add $t2, $t2, $s0 add $t0, $t0, $t1 j siguiente es_cero:sw $t2, 0($t0) (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  36. Direcciones de memoria de instrucciones y de datos: Un ejemplo en C. El enfoque siguiente es el correcto: emplear estructuras de programación if (i != j){ f = g + h; } f = f – i; Este enfoque no es correcto if (i == j) goto fuera; else f = g + h; fuera: f = f – i; (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  37. Producción de un programa. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  38. Producción de un programa: Denominación de los ficheros intermedios. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  39. Intro. Codificación de instrucciones: add • La siguiente instrucción está representada en lenguaje de ensamblaje: add $t0, $s1, $s2 • El computador no “entiende” las instrucciones en este formato fuente. • Sin embargo, esta representación es conveniente para las personas. • El programa que traduce el texto escrito en lenguaje de ensamblaje es el programa ensamblador. • El ensamblador traduce el texto fuente a “texto o código objeto” (Una forma de código máquina). • El texto objeto está “lleno” de instrucciones en forma binaria. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  40. Representación binaria de la instrucción add [Una instrucción del tipo R] add$t0, $s1, $s2 Código fuente Código Objeto (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  41. Formato binario de la instrucción lw [Una instrucción del tipo I]. lw$t0, ($s1)32 Código fuente Código Objeto (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  42. Formato Binario De La Instrucción sw [Una Instrucción Del Tipo I]. sw$t0, ($s1)32 http://paloalto.unileon.es/mel/docs/DecodeMap.pdf (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  43. Un resumen de lo visto hasta ahora. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  44. Y, para terminar esta sección: Dos principios fundamentales. • Las instrucciones se representan en binario, igual que los datos numéricos. • Los programas y los datos que manejan, se almacenan en el mismo sitio: la memoria. (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  45. Instrucciones de salto condicional • Flujo de ejecución secuencial: • PC <- PC + 4 • 1000, 1004, 1008, 1012,… • Salto a la dirección 32000: • 1024, 1028, 32000… • beq $t0, $t1, destino0 • Branch if equal • Salta a destino0 si $t0 es igual $t1 • bne $s3, $v0, destino1 • Branch if non-equal • Salta a destino1 si $s3 es distinto de $v0 (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  46. Compilación de una estructura if-then-else (I) • Las variables f, g, h, i y j están asociadas a los registros $s0 a $s4. if (i == j) f = g + h; else f = g – h; (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  47. Compilación De Una Estructura if-then-else (II) • Comprobar la condición opuesta porque: • b (branch) • no es ejecutar este bloque • es saltar a un bloque bne $s3, $s4, else add $s0, $s1, $s2 j exit #Salto incondicional. else: sub $s0, $s1, $s2 exit:... • if (i == j) • f = g + h; • else • f = g – h; (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  48. if-then-elsecon bne Secuencial .data i: .word 0x00102030 j: .word 0x00000000 f: .word 0x00000000 g: .word 0x0fffffff h: .word 0x00000001 .text .globl main main: la $t7, i lw $t0, 0($t7) la $t7, j lw $t1, 0($t7) la $t7, g lw $t2, 0($t7) la $t7, h lw $t3, 0($t7) # ? bne $t0, $t1, else add $t4, $t2, $t3 j exit else: sub $t4, $t2, $t3 exit: sw $t4, 0($t7) # El programa continúa… alternativa Etiqueta Exit Secuencial (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  49. if-then-else con beq Secuencial .data i: .word 0x00102030 j: .word 0x00000000 f: .word 0x00000000 g: .word 0x0fffffff h: .word 0x00000001 .text .globl main main: la $t7, i lw $t0, 0($t7) la $t7, j lw $t1, 0($t7) la $t7, g lw $t2, 0($t7) la $t7, h lw $t3, 0($t7) # ? #Escribid un programa equivalente, #pero, usando beq: alternativa Etiqueta Exit Secuencial (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

  50. Estructuras repetitivas. • Un bloque de instrucciones es ejecutado una vez tras otra: • Mientras cierta condición sea verdadera: Que j sea distinto de 100. • En cada iteración se modifica el valor empleado para evaluar la condición (j=j+5). • En algún momento, el valor hará que la condición sea falsa y que el bucle no se repita más veces: Salto a Exit. j = 0; ¿j != 100? Falso Verdadero Bloque de Instrucciones Evalúa j, ejemplo: j = j + 5; Etiqueta Exit (CC) 1999-2006, José M. Foces-Morán.

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