L insieme delle istruzioni (6)

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1 L insieme delle istruzioni (6) Architetture dei Calcolatori (lettere A-I) Alcune note conclusive I due principi dell architettura a programma memorizzato Uso di istruzioni indistinguibili dai dati Uso di memoria modificabile per il programma Conseguenze Lo stesso calcolatore può essere utilizzato Da persone diverse In contesti diversi Queste scelte progettuali hanno influenzato in modo determinante il successo dei calcolatori Oltre allo sviluppo tecnologico Valeria Cardellini 1

2 I quattro principi guida per i progettisti del set di istruzioni MIPS Semplicità e regolarità sono strettamente correlate Stessa dimensione delle istruzioni Operazioni aritmetiche solo su tre registri Campi dei registri nello stesso posto in diversi formati Minori le dimensioni, maggiore la velocità Numero limitato di registri del processore Un buon progetto richiede compromessi Esempio: possibilità di specificare costanti di grandi dimensioni mantenendo la dimensione fissa delle istruzioni Rendere più veloce il caso più frequente Indirizzamento relativo al PC per i salti condizionati Rendere veloci le istruzioni frequenti (indirizzamento immediato per costanti) Valeria Cardellini 2 Classificazione delle architetture dei calcolatori Classificazione basata sul modello di esecuzione Sulla modalità con cui il processore accede e manipola gli operandi dell istruzione Modelli possibili: a stack, con accumulatore, con insieme di registri di uso generale (modelli registro-memoria e registro-registro) Valeria Cardellini 3

3 Classificazione delle architetture dei calcolatori (2) Operandi impliciti o espliciti Nell architettura a stack: operandi impliciti sul top dello stack Nell architettura con accumulatore: un operando è implicitamente l accumulatore, l altro è in memoria Nelle architetture a registri general-purpose: operandi solo espliciti (registri o locazioni di memoria) Architettura con accumulatore usata fino agli anni sessanta I modelli di esecuzione prevalenti sono quelli registromemoria e registro-registro Valeria Cardellini 4 Classificazione delle architetture dei calcolatori (3) Esempio: sequenza di codice per C=A+B Assumiamo che le variabili A, B e C siano in memoria e che le variabili A e B non debbano essere modificate Stack Accumulatore -memoria -registro Push A Load A Load R1, A Load R1, A Push B Add B Add R3, R1, B Load R2, B Add Store C Store R3, C Add R3, R1, R2 Pop C Store R3, C Valeria Cardellini 5

4 Classificazione delle architetture dell insieme di istruzioni Due approcci opposti per la definizione dell insieme delle istruzioni Architetture RISC (Reduced Instruction Set Computer) Architetture CISC (Complex Instruction Set Computer) Influenza sulle prestazioni del calcolatore di: Numero di istruzioni nell insieme delle istruzioni Potenzialità delle singole istruzioni Formato delle istruzioni Codifica delle istruzioni Valeria Cardellini 6 Architetture di tipo RISC Ispirate al principio di eseguire in maniera semplice le istruzioni più frequenti Le operazioni complesse vengono scomposte in una serie di istruzioni più semplici Caratterizzate da semplicità delle istruzioni e limitato numero di istruzioni che costituiscono l insieme delle istruzioni Stessa dimensione delle istruzioni (più semplice la decodifica) Il campo del codice operativo occupa uno spazio predefinito Numero limitato di formati delle istruzioni Il codice operativo identifica in modo univoco il formato Nei vari formati, i campi che identificano uguali entità occupano la stessa posizione Esempi PowerPC MIPS Valeria Cardellini 7

5 Architetture di tipo CISC Caratterizzate da elevata complessità delle istruzioni eseguibili ed elevato numero di istruzioni che costituiscono l insieme delle istruzioni Istruzioni di differente dimensione Il campo del codice di operazione non occupa necessariamente uno spazio predefinito Numero molto ampio di formati delle istruzioni Nei vari formati, i campi che identificano uguali entità possono occupare differenti posizioni Obiettivo: minimizzare la lunghezza del codice e quindi l occupazione di memoria Esempi Le istruzioni di IA-32 possono essere lunghe da 1 a 17 byte Le istruzioni del VAX possono essere lunghe da 1 a 54 byte Valeria Cardellini 8 Architetture di tipo CISC (2) In generale: relazioni possibili tra dimensione della parola di memoria e dimensione delle istruzioni Dimensione variabile delle istruzioni a seconda della modalità di ogni operando Complessità di gestione della fase di prelievo dell istruzione dalla memoria: a priori non è nota la lunghezza dell istruzione da caricare Elevata complessità del processore (ossia dell hardware relativo) In termini degli elementi che lo compongono, con la conseguenza di rallentare il tempo di esecuzione delle operazioni Valeria Cardellini 9

6 Registri di IA-32 EAX, EBX, ECX, EDX: registri GPR a 32, 16 o 8 bit: EAX: accumulatore EBX: puntatore a memoria (base) ECX: contatore cicli EDX: estende EAX a 64 bit nelle divisioni e moltiplicazioni ESP: Stack Pointer, puntatore alla cima dello stack EBP: Base Pointer, puntatore entro lo stack ESI, EDI: registri indice di uso generico CS,, GS: registri di segmento, puntatori ai segmenti di memoria in uso EIP:Instruction Pointer (Intel PC) EFLAGS: Program Status Word, registro di stato Valeria Cardellini 10 Tipi di istruzione per IA-32 Istruzioni aritmetiche, logiche e di trasferimento dati a due operandi Nelle istruzioni logico-aritmetiche un operando è sorgente e destinazione Nelle istruzioni logico-aritmetiche un operando può essere in memoria Operando sorgente/destinazione Memoria Memoria Secondo operando sorgente Immediato Memoria Immediato Inoltre, istruzioni di controllo del flusso ed istruzioni sulle stringhe Valeria Cardellini 11

7 Formato delle istruzioni di IA-32 La codifica delle istruzioni è complessa, con molti formati La lunghezza delle istruzioni è molto variabile (da 1 fino a 17 byte) OPCODE è l unico campo obbligatorio (lunghezza minima 1 byte), tutti gli altri campi sono opzionali MODE stabilisce la modalità di indirizzamento L indirizzo di memoria è l offset di un segmento, dipende dall opcode, dai registri usati e dal prefisso Valeria Cardellini 12 Digital Signal Processing (DSP) Principali caratteristiche dei processori per DSP Due modi di indirizzamento peculiari Indirizzamento circolare (o modulo) Uso di buffer circolari per gestire il flusso continuo di dati Indirizzamento bit reverse Specifico per Fast Fourier Transform (FFT) Tipo di dati a virgola fissa Nessuna gestione delle eccezioni in caso di overflow (requisiti real-time stringenti) Il risultato viene settato al massimo numero rappresentabile (aritmetica con saturazione) Istruzioni di tipo multiply-accumulate specifiche per il prodotto scalare Valeria Cardellini 13