Un quadro della situazione. Lezione 13 Il Set di Istruzioni (1) Organizzazione della lezione. Dove siamo nel corso. Cosa abbiamo fatto

Transcript

1 Un quadro della situazione Lezione Il Set di Istruzioni (1) Vittorio Scarano Architettura Corso di Laurea in Informatica Input/Output Sistema di Interconnessione Registri Central Processing Unit Principale Unità Aritmetico Logica Interconnessione interna alla Cosa abbiamo fatto circuiti combinatori e sequenziali e ALU Dove stiamo andando.. il set di istruzioni Perché: per poter comprendere il funzionamento e poter progettare la Unità di Controllo Università degli Studi di Salerno Unità di Controllo 2 Dove siamo nel corso Organizzazione della lezione Il Set di Istruzioni Codifica della informazione Logica Digitale Unità Aritmetico Logica (ALU) Il set delle istruzioni Processore: unità di elaborazione Processore: unità di controllo Processore: pipeline Valutazione delle prestazioni La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS erazioni erandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria I formati delle istruzioni formato R formato I Un esempio di memorizzazione di un programma 3

2 Organizzazione della lezione La programmazione dei calcolatori La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS erazioni erandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria I formati delle istruzioni formato R formato I Un esempio di memorizzazione di un programma 5 Storia programmazione attraverso numeri binari attività tediosa e lunga facile fare un errore linguaggio assembly l assemblatore lo traduce in codice macchina dalla forma simbolica della istruzione machina......al corrispondente formato binario linguaggi ad alto livello compilatore lo traduce in assembly 6 Un esempio: I benefici dei linguaggi ad alto livello C=A+B linguaggio ad alto livello add $t0, $s0, $s1 assembly 1000 linguaggio macchina Notazione naturale vicina al linguaggio corrente e alla notazione algebrica Incremento di produttività Indipendenza dalla architettura (processore) su cui il programma va eseguito Permette l uso di librerie di funzionalità già scritte (riuso del codice) 7 8

3 I benefici del linguaggio assemblatore La compilazione: linguaggio C La dipendenza dal processore permette: programmi più efficienti programmi (potenzialmente) più compatti Importante per: programmazione di controller di processi e macchinari (anche real-time) programmazione di apparati limitati: Portable Devices Telefonini cellulari etc.etc. I compiti del compilatore e del linker #include <stdio.h>... file /* Prototipi funzioni */ stdio.h hello.c compilatore oggetto Libreria di Funzioni I/O standard Interfaccia alla libreria di funzioni I/O standard linker gcc hello.c a.out file eseguibile 9 10 Il processo della compilazione La compilazione: il linguaggio Java Programma C hello.c compilatore Programma in linguaggio assemblatore assemblatore Programma in linguaggio macchina a.out Il compilatore di norma comprende l assemblatore L assembler: permette l uso di pseudoistruzioni Il caricatore (loader) carica il programma in memoria Hello.java... compilatore javac Hello.java Hello.class... Java Virtual Machine java Hello caricatore Programma in memoria 11 12

4 Java: la macchina virtuale Organizzazione della lezione Java Virtual Machine Un programma che esegue programmi Hello.class La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS erazioni erandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria I formati delle istruzioni formato R formato I Un esempio di memorizzazione di un programma 1 Alcuni principi Il linguaggio del calcolatore Le istruzioni vengono rappresentate da numeri Linguaggio macchina: composto di istruzioni i programmi vengono immagazzinati in memoria insieme ai dati Storicamente: architettura introdotta dall EDVAC posta alla Harvard architecture che aveva spazi di memoria diversi per dati e programmi che compongono l insieme delle istruzioni I principi della progettazione: Obiettivi: un linguaggio macchina che renda facile la costruzione della macchina semplicità per il progettista che renda facile la costruzione dei compilatori offerta delle erazioni più comuni che ottimizzi i costi di produzione 15 che permetta prestazioni alte competitività sul mercato 16

5 La semplicità della realizzazione Organizzazione della lezione Principio guida per tutti i calcolatori dagli anni cinquanta ad oggi Semplice significa economico ( semplicità = regolarità ) affidabile di facile apprendimento ed uso (programmatori) di facile traduzione (compilatori) La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS erazioni erandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria I formati delle istruzioni formato R formato I Un esempio di memorizzazione di un programma Il processore MIPS Le erazioni e gli erandi Sviluppato e progettato a Stanford progettato durante gli anni 80 (Stanford) prodotto e distribuito da MIPS Technologies nei 90 Tecnologia utilizzata tuttora da Sony (Playstation, Playstation 2, AIBO (cane-robot)) Nintendo 6 Router CISCO Stampanti (HP Laser), Macchine fotografiche digitali, Palmt, Set-t boxes (cable tv e satellite), DVD Operazioni di tipo diverso: erazioni aritmetiche erazioni di trasferimento (memoria registri) erazioni di scelta e controllo del flusso erazioni di supporto alle procedure Operandi: accesso ai registri della macchina accesso alla memoria uso di costanti 19 20

6 Organizzazione della lezione Operazioni aritmetiche La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS erazioni erandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria I formati delle istruzioni formato R formato I Un esempio di memorizzazione di un programma 21 Fondamentali: le informazioni sono codificate in dati i dati sono rappresentati da numeri Un esempio: per compiere a=b+c e a=b-c add a, b, c sub a, b, c Alcuni commenti: struttura fissa a 3 erandi la semplicità favorisce la regolarità 22 Il prezzo della semplicità Gli erandi Per compiere a=b+c+d+e add a, b, c # calcolo a=b+c add a, a, d # calcolo a=(b+c)+d add a, a, e # calcolo a=(b+c+d)+e Per sommare variabili (b,c,d,e) in a servono 3 istruzioni Commenti: su ogni linea, preceduti da # A differenza dei linguaggi ad alto livello: gli erandi devono provenire da locazioni particolari di memoria dette registri Nei linguaggi ad alto livello non ci si preoccupa: del numero e del tipo di variabili della quantità di memoria utilizzata di dover portare i dati dalla memoria ai registri e dai registri alla memoria è compito del compilatore inserire le istruzioni necessarie 23 2

7 I registri Il ruolo del compilatore Dimensione di un registro MIPS 32 bit (detta parola) Le caratteristiche dei registri: alta velocità di accesso limitati in numero (32 registri) ($0, $1,..$31) Convenzione MIPS: registri rappresentati da: $s0, $s1,..., i registri che contengono variabili $t0, $t1,..., i registri di uso temporaneo Altro principio di progettazione: piccolo = veloce (clock) Assegnare variabili a registri f = ( g + h ) - ( i + j ) add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s sub $s0, $t0, $t1 f $s0 g $s1 h $s2 i $s3 j $s # g+h # i+j # f = (g+h)-(j+j) Organizzazione della lezione Le erazioni e gli erandi La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS erazioni erandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria I formati delle istruzioni formato R formato I Un esempio di memorizzazione di un programma Operazioni di tipo diverso: erazioni aritmetiche erazioni di trasferimento (memoria registri) erazioni di scelta e controllo del flusso erazioni di supporto alle procedure Operandi: accesso ai registri della macchina accesso alla memoria uso di costanti 27 28

8 Istruzioni trasferimento dati: perchè? La registri $0 $1 $2.. $31.. Il numero limitato di registri rende possibile la realizzazione della velocizza il clock..ma rende necessario introdurre istruzioni per trasferire il contenuto dei registri in memoria e viceversa 29 registri $0 $1 $2.. $31.. Permette l accesso alle locazioni fornendo l indirizzo Come un array monodimensionale, indicizzato tramite l indirizzo 30 Indirizzamento della Istruzioni di trasferimento dati: la load-word registri $0 $1 $2 $31 E possibile l indirizzamento al byte per motivi di efficienza Indirizzamento di una parola è legato a byte quindi gli indirizzi delle parole differiscono di 31 Indirizzamento indicizzato nel registro va caricato l elemento con indirizzo uguale a + il valore in Uso di un registro indice 32

9 Il ruolo del registro indice Istruzione di trasferimento dati: la store-word Utile per scorrere array al variare di Attenzione! Il registro indice deve sempre variare di in 33 sw, () Indirizzamento indicizzato l elemento nel registro va memorizzato nel.. l elemento con indirizzo uguale a + il valore in Uso di un registro indice 3 Un programma di esempio (1) Un programma di esempio (2) $18 add, $18, sw, () 35 $ add, $18, sw, () 36

10 Un programma di esempio (3) Alcuni commenti Le istruzioni di trasferimento dati prevedono: accesso al byte $ add, $18, sw, () accesso a 2 byte (halfword) accesso alla parola (word) Di norma, si usano etichette (label) per indicare l indirizzo di partenza dell array: lw, AStart() Organizzazione della lezione Rappresentazione delle istruzioni La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS erazioni erandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria I formati delle istruzioni formato R formato I Un esempio di memorizzazione di un programma I numeri all interno di un calcolatore sono rappresentati tramite la notazione binaria I numeri possono rappresentare dati ed istruzioni Per poter interpretare le istruzioni, la parola viene suddivisa in campi (field) 39 0

11 Il formato della istruzione add I campi del formato R La istruzione add, $17, $18 viene rappresentata in una parola di 32 bit: bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit rs rt rd shamt Questa codifica viene detta formato della istruzione register (R) bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit add, $17, $18 rs rt rd shamt Campo : erazione effettuata Campo rs: registro con il primo erando Campo rt: registro con il secondo erando Campo rd: registro destinazione Campo shamt: scorrimento Il formato della istruzione lw I campi del formato I La istruzione viene rappresentata in una parola: bit 5 bit 5 bit 16 bit rs rt indirizzo Questa codifica viene detta formato della istruzione Istruction (I) bit 5 bit 5 bit 16 bit rs rt indirizzo Campo : erazione effettuata Campo rs: registro con indice Campo rt: registro destinazione Campo indirizzo: indirizzo partenza

12 Alcuni commenti sui formati (1) Alcuni commenti sui formati (2) Istruzioni con formato della stessa lunghezza: il compromesso: il formato R permette accessi solamente a registri altrimenti potrebbe indirizzare solamente 2 5 locazioni 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit rs rt rd shamt 00 C è simmetria e similarità tra i formati: R I 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit rs rt rd shamt 6 bit 5 bit 5 bit 16 bit rs rt indirizzo Un programma di esempio (1) Un programma di esempio (2) $18 add, $18, sw, () 7 $ add, $18, sw, () 8

13 Un programma di esempio (3) La memorizzazione del programma $ add, $18, sw, () $18 add, $18, sw, () 9 50 La memorizzazione del programma Esercizi add, $18, sw, () Come si fa a realizzare la istruzione (C) g = h + A[i]? (Vedere esempi a pag. 95) Scrivere un programma che, assumendo di avere dei valori nei registri $s0, $s1 e $s2 scriva nella parola con indirizzo la somma dei tre registri. Scrivere un programma che, assumendo di avere nel registro $s0 il valore 10, nel registro $1 il valore, nel registro $2 il valore 3, scriva nelle parole con indirizzo,,, rispettivamente il valore 10, e

14 Problemi Che tipo di indirizzamento dovremmo avere a disposizione per poter fare a meno dell'indirizzamento indicizzato? Perché le istruzioni di trasferimento dati lw e sw prevedono un metodo di indirizzamento dati indicizzato? Non sarebbe stato più facile prevedere un indirizzamento "diretto" vale a dire specificare direttamente la locazione di memoria da cui (o verso cui) prelevare (o scrivere) il dato di un registro? 53