Progettare l'isa. Progettare l'isa. Corso di Architettura degli Elaboratori. Interpretazione

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1 Corso di Architettura degli Elaboratori Il livelo ISA: ISA IJVM, tipi di dati e formato delle istruzioni Dipartimento di Informatica Università degli Studi di Torino C.so Svizzera, 185 I Torino baldoni@di.unito.it ~baldoni Progettare l'isa Ponte tra l'hardware e il software: Forte correlazione tra hardware e livello ISA Forte correlazione tra livello hardware, ISA e i ideatori di compilatori Garanzia di compatibilita` con modelli precedenti (vedi esempio Intel) per questioni di marketing (i programmi precedenti devono continuare a funzionare!) ISA per sistemi embedded 1 2 Progettare l'isa Interpretazione ISA e tecnologia: facilmente realizzabile con la tecnologia corrente facilmente realizzabile con la tecnologia futura(!) Facilmente utilizzabile dai compilatori (traduttori automatici) e che permettano la generazione di codice efficiente Pubblicazione delle specifiche ISA Modalita` kernel o utente Codice Sorgente Interprete Interprete MacOS Interprete Interprete (JavaScript, Scheme, Prolog): Interazione. Più facile modificare un programma durante l'esecuzione Intel/Windows Apple 3 4

2 Traduzione o compilazione Memoria Compilatore binario Codice Sorgente Compilatore MacOS binario Apple Compilatore binario Importanza dell'allineamento Indirizzamento per area dati e programmi Compilazione (Pascal, C, Ada, C++): Efficienza di esecuzione. Il codice generato dal compilatore può essere ottimizzato, perché la compilazione è fatta una sola volta Intel/Wind Hardware supplementare per estrazione delle informazioni non allineate 5 6 Registri ISA IA-32 Intel (cenni) Non tutti i registri visibili al livello della microarchitettura sono visibili a livello ISA (es. TOS e MAR del Mic-1 non sono visibili a livello ISA) Registri ad applicazione particolare (SP, PC, ecc) e registri ad applicazione generale (OPC, ecc): i programmatori e i compilatori devono attenersi alle eventuali convenzioni di utilizzo Registri visibili a livello kernel: es. il registro dei flag o Program Status Word (PSW) contenente i condition codes (N, Z, V, C, A, P, livello di priorita` CPU, livello di abilitazione degli interrupt e altri ancora) E` l'architettura ISA a 32 bit dell'80386, estesa poi con il set di istruzioni MMX (per la multimedialita`) Modalita` reale (come un 8088), modalita` 8086 virtuale (ambiente isolato per l'esecuzione dei programmi 8088) e modalita` protetta di esecuzione con quattro livelli di protezione (tra cui kernel e utente) Memoria: segmenti da indirizzi (solitamente e` utilizzato un solo segmento) Solitamente i SO: spazio lineare di 2 32 byte Formato little endian 7 8

3 ISA IA-32 Intel (cenni) I registri sono organizzati in modo da garantire la possibilita` di emulare 8088, (e in parte 8080!) ISA UltraSparc (cenni) Architettura RISC a 64 bit (in origine a 32 bit) Memoria: 2 64 indirizzi, solitamente spazio lineare di 2 64 byte Formato big endian (ma possibile anche little endian) Due gruppi di registri: 32 registri (64 bit) generici e 32 registri floatin-point Meccanismo del register window Architettura load/store: le unicheoperazioni con accesso diretto alla memoria sono LOAD e STORE, le istruzioni per spostare i dati fra i registri e la memoria, tutti gli operandi (inclusa la destinazione) per le istruzioni aritmetiche e logiche devono provenire da registri 9 10 ISA JVM (cenni) Tipi di dati Memoria organizzata in quattro regioni: frame delle variabili locali, lo stack degli operandi, l'area del metodo e la constant pool come visto sull'esempio IJVM Heap per la memorizzazione di oggetti dinamici o di grosse dimensioni (int a[] = new int[4096];) Runtime storage allocator e garbage collector Macchina a stack pura: richiede una grande quantita` di accessi alla memoria ma ISA e` estremamente semplice ed elegante Implementazioni hardware relativamente semplici (ricordiamoci che Java era nato per programmare prodotti di tipo consumer!) Supporto hardware per un particolare tipo di dati: presenza di istruzioni che si aspettano i dati in un dato formato Numeri interi complemento a due, i numeri floating point secondo lo standard IEE 754, i caratteri secondo la codifica ASCII sono un tipo di dati e la maggior parte dei livelli ISA per processori di uso corrente offre istruzioni per il loro trattamento Simulazione software per i tipi di dati non supportati 11 12

4 Tipi di dati numerici Tipicamente 8, 16, 32 e 64 bit Numeri interi unsigned e signed Numeri floating point: 32, 64, 80, 128 bit Standard IEEE 754 e istruzioni ISA dedicate alla gestione di di tale formato standard Binary code decimal format introdotto nel COBOL (hardware dedicato, esempio IBM System 360): 4 bit per ogni cifra decimale Tipi di dati non numerici Codifica ASCII (7 bit ed in seguito 8 bit) Codifica UNICODE (16 bit) Istruzione speciali del livello ISA per la gestione di stringhe (la maggior parte delle applicazioni degli eleboratori è quella dell'elaborazione di informazione non numerica!) Valori Booleani: vero (1) e falso (0) Bit map Puntatori: indirizzo di memoria Panoramica supporto tipi di dati Pentium II (Un)Signed integer: 8, 16 e 32 bit Binary coded decimal integer: 8 bit Floating point: 32 e 64 bit Manipolazione di caratteri ASCII di 8 bit UltraSPARC II (Un)Signed integer: 8, 16, 32 e 64 bit Floating point: 32, 64 e 128 bit JVM: Signed integer: 8, 16, 32 e 64 bit FLoating point: 32 e 64 bit Manipolazione di caratteri UNICODE di 16 bit Formato delle istruzioni Formati comuni delle istruzioni: (a) zero indirizzi (b) un indirizzo (c) due indirizzi (d) tre indirizzi Lunghezza omogenea per facilitare la decodifica 15 16

5 Formato delle istruzioni Criteri per la progettazione del formato delle istruzioni: l'insieme delle istruzioni deve poter essere esteso facilmente nel futuro per includere nuove istruzioni tecnologia con cui è realizzato il calcolatore (ma tenendo conto delle future possibili evoluzioni) Istruzioni corte vs istruzioni lunghe: spazio occupato dai programmi larghezza di banda della memoria (CPU molto più veloci della capacità di fornire istruzioni da parte della memoria) avvio di più istruzioni possibili all'esecuzione in un ciclo di clock La lunghezza è una scelta fondamentale! Formato delle istruzioni Codici dedicati agli opcode: meglio prevederne di più di quelli necessari ma questo implica occupare spazio Spazio riservato agli indirizzi nelle istruzioni: maggiore risoluzione della memoria vs istruzioni più lunghe Bilanciamento della dimensione degli indirizzi con la risoluzione della memoria Attualmente la maggior parte delle moderne implementazioni adottano una risoluzione di 8 bit (ma leggono la memoria in blocchi di 1, 2, 4 o più parole alla volta con necessità di hardware di scomposizione del blocco di bit letti per l'accesso ai singoli byte) Espansione degli opcode Pentium II Bilanciare il numero di istruzioni: numero di istruzioni vs risoluzione della memoria e numero di operandi Opcode più corti per le istruzioni più frequenti o quelle che necessitano di più operatori Problemi con l'allineamento delle istruzioni Risente della compatibilità all'indietro Tecnica del prefisso (gli opcode erano finiti!): ecape code Lunga e complessa decodifica Molte istruzioni poco utilizzate Allineamento in memoria difficile 19 20

6 UltraSPARC II Istruzioni di 32 bit allineate in memoria Successivamente si sono aggiunti nuovi formati (incomincia a risentire della compatibilità all'indietro?) Due bit iniziali per aiutare a determinare il tipo di istruzione JVM Si predilige il codice compatto Machina a stack pura Opcode di un byte ILOAD speciali per offset di 0, 1, 2, 3 Tecnica del prefisso (esempio WIDE) JVM 42 byte! 2 byte vs 4 byte 34 byte! 23