La microarchitettura. Didattica della strumentazione digitale e sistemi a microprocessore anno accademico pagina 1

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1 La microarchitettura. anno accademico pagina 1

2 Integer Java virtual machine Ogni microprocessore può avere una microarchitettura diversa, ma la modalità di funzionamento per certi aspetti è generale. Sebbene IJVM sia piccola è un buon punto di partenza per descrivere il controllo e la sequenza di una istruzione. anno accademico pagina 2

3 Esempio di microprocessore JAVA 2 bus ( uno a 64 bit per la memoria, l altro di 32 bit PCI); Cache: 16 kb per i dati e 16 kb per il programma 2M di transistor per il core e 1.5M per la cache. anno accademico pagina 3

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5 JAVA virtual machine Particolare dei registri d interfacciamento con la memoria anno accademico pagina 5

6 JAVA virtual machine Particolare dell ALU anno accademico pagina 6

7 JAVA virtual machine Particolare dei restanti registri anno accademico pagina 7

8 MAR:memory address register MDR: memory data register PC: program counter MBR: memory byte register SP: stack pointer LV: local variable CPP. Constant pool TOS: top of stack OPC anno accademico pagina 8

9 Arithmetic logic unit. Riferimenti Bibliografici: 1) Paolo Spirito Elettronica digitale, Mc Graw Hill Capitolo 10 2) Tanenbaum Structured computer organization, Prentice hall International anno accademico pagina 9

10 Somma tra due bit (A e B) Somma di due bit Tabella della verità S Funzione logica S = AB + AB = A B C = AB OR esclusivo (XOR) anno accademico pagina 10

11 S Half adder S S anno accademico pagina 11

12 Somma di due bit più il carry Costruzione della tabella della verità Sintesi della funzione S S i = Ai BiCi 1 + Ai BiCi 1 + Ai BiCi 1 + Ai Bi Ci 1 S i i ( A B + A B ) + C ( A Bi A B ) S + = Ci 1 i i i i i 1 A B = ( A + B) AB = A + B + AB = AB + AB A B = ( A + B) AB = AB + BA ( A B ) + C ( A B ) = C i 1 i i i 1 i i i i i C + C i i = i i i A B C Sintesi della funzione C A B C i i 1 i 1 + = A i B i + C i 1 A B C i i i 1 + ( A B ) i i A B C i i i 1 + anno accademico pagina 12

13 Schema di un full-adder anno accademico pagina 13

14 Schema logico di un addizionatore (sinistra) e di un sottrattore (destra) anno accademico pagina 14

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16 Circuiti bit slice Bit-slice (b):i dati di N bit sono elaborati da N circuiti uguali che processano in parallelo ognuno degli N bit del dato anno accademico pagina 16

17 Alu nell IJVM anno accademico pagina 17

18 Funzioni dell ALU anno accademico pagina 18

19 Temporizzazione di un ciclo del data path anno accademico pagina 19

20 Mapping del MAR sul data bus anno accademico pagina 20

21 Scrittura del dato nel bus C nel relativo registro Segnali di controllo Scrittura del dato nel registro sul bus B 2 modalità di Scrittura del dato nel registro MBR sul bus B: signed o unsigned anno accademico pagina 21

22 Segnali per il governo delle Microistruzioni 9 per controllare la scrittura dei dati dal bus C nei registri. 9 per abilitare la scrittura di un registro sul bus B. 8 per la gestione delle funzioni dell ALU e dello shifter. 2 (non mostrati) per indicare la lettura o scrittura in memoria attraverso MAR/MDR. 1 (non mostrato) per gestire il fetch via PC/MBR anno accademico pagina 22

23 Formato delle microistruzioni anno accademico pagina 23

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25 Variabili locali di una procedura Sono variabili create quando la procedura viene chiamata e distrutte quando la stessa procedura ritorna al chiamante. Dove memorizzarle? Non possono avere indirizzi assoluti perché le procedure possono essere ricorsive; vengono memorizzate nell area dello stack, in una area di memoria chiamata local variable frame.

26 Un registro per es. LV punta alla base delle variabili locali (a1, a2,e a3) della procedura in esecuzione, mentre un altro SP punta all estremo superiore Le variabili vengono riferite dando un offset dall indirizzo puntato da LV. La struttura dei dati fra LV e SP viene chiamata local variable frame. anno accademico pagina 26

27 Esempi di chiamata di procedure anno accademico pagina 27

28 Operand stack Lo Stack può essere usato per memorizzare un operando durante il calcolo di un operazione aritmetica. Supponiamo che prima di chiamare B, la procedura A deve eseguire il seguente calcolo: a1=a2+a3; anno accademico pagina 28

29 Operand stack: esempio a) push a2 sullo stack; b) push a3 sullo stack; c) pop a3 e a2 esegui l istruzione e push il risultato sullo stack. d) pop lo stack e riponi il contenuto in a1 anno accademico pagina 29

30 Local variable frame e operand stack sulle diverse macchine local variable frames di diverse procedure e operand stacks sono aree dello stacks che possono essere mescolate. Tutte le macchine usano lo stack per le variabili locali, mentre non tutte usano eseguire l aritmetica sullo stack operand stack. JVM and IJVM funzionano eseguendo le operazioni aritmetiche sullo stack, mentre il 68HC08 si avvale dei registri interni anno accademico pagina 30

31 Il modello di memoria dello IJVM Principalmente consiste di una memoria che può essere vista come un array di 4,294,967,296 bytes (4 GB) o un array di 1,073,741,824 words Come molte altre macchine, gli indirizzi della JVM non sono indirizzi assoluti, ma sono offset che combinati con puntatori forniscono l indirizzo fisico. anno accademico pagina 31

32 Aree di memoria 1. Constant Pool: (puntata dal registro CPP); 2. Local Variable Frame.(puntata dal registro LV); 3. Operand Stack (puntata da SP); 4. The Method Area (puntata da PC). anno accademico pagina 32

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34 Costant Pool Non può essere scritta da un programma IJVM e consiste di costanti,stringhe e puntatori ad altre aree di programma. E caricata in memoria nello stesso istanti in cui viene caricato il programma e non viene più modificata. Inizia dall indirizzo puntato dal registro CPP anno accademico pagina 34

35 Local Variable Frame Per ciascuna chiamata a subroutine (method) viene allocata un area per memorizzare le variabili della subroutine per tutto il tempo di vita della stessa subroutine. All inizio di quest area ci sono i parametri (chiamati anche argomenti) con cui la subroutine è stata chiamata. Quest area trova spazio nella pila insieme allo stack operand. C è un registro che punta all inizio di quest area è: LV. anno accademico pagina 35

36 Operand Stack. Lo spazio destinato all operand stack è posto immediatamente sopra lo spazio delle variabili local local variable frame. Diversamente da CPP e LV, durante l esecuzione di un method, il valore dello SP cambia. Lo spazio di memoria dedicato allo stack non può oltrepassare una certa dimensione che è prevista dal compilatore Java. anno accademico pagina 36

37 Method Area. E la regione di memoria che contiene il programma C è un implicito registro (PC) che contiene l indirizzo dell istruzione che deve essere prelevata Diversamente dalle altre regioni l area di method è indirizzabile come byte. anno accademico pagina 37

38 Precisazioni sui registri CPP,LV,SP e PC I registri CPP, LV, e SP sono puntatori a words. Per esempio, LV, LV + l, e LV + 2 si riferiscono alle prime tre words ( LV=0: -> indirzo in byte 0; LV+1:indirizzo in byte 4) PC contiene indirizzi espressi in byte anno accademico pagina 38

39 Il set di istruzioni di IJVM anno accademico pagina 39

40 INVOKEVIRTUAL Situazione prima della esecuzione della istruzione Invokevirtual anno accademico pagina 40

41 INVOKEVIRTUAL disp Constant Pool CPP + Meccanismo di Puntatore alla routine chiamata di una routine Method Area Numero dei parametri Opcode Dimensione variabili locali.. anno accademico pagina 41

42 Stack dopo l esecuzione di invoke virtual anno accademico pagina 42

43 Stack prima e dopo l esecuzione di Invokevirtual anno accademico pagina 43

44 IRETURN anno accademico pagina 44

45 JAVA Assembler Programma in esadecimale anno accademico pagina 45

46 Stack istruzione per istruzione

47 ISA: NOP anno accademico pagina 47

48 IADD,ISUB,IAND,IOR anno accademico pagina 48

49 anno accademico pagina 49

50 WIDE anno accademico pagina 50

51 anno accademico pagina 51

52 IF anno accademico pagina 52

53 Invokevirtual anno accademico pagina 53

54 Ireturn anno accademico pagina 54