Istruzioni e linguaggio macchina

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1 Istruzioni e linguaggio macchina I linguaggi macchina sono composti da istruzioni macchina, codificate in binario, con formato ben definito processori diversi hanno linguaggi macchina simili scopo: massimizzare le prestazioni veloce interpretazione da parte del processore efficace traduzione/compilazione di programmi ad alto livello Linguaggi molto più primitivi dei linguaggi ad alto livello controllo del flusso poco sofisticato (non ci sono for, while, if) Linguaggi molto restrittivi istruzioni aritmetiche con numero fisso di operandi

2 Linguaggio macchina e astrazioni

3 Istruzioni macchina e codifica binaria Le istruzioni macchina, ovvero il linguaggio che la macchina (processore) comprende, hanno bisogno anch esse di essere codificate in binario Devono essere rappresentate in binario in accordo ad un formato ben definito Il linguaggio macchina è molto restrittivo il processore che studieremo sarà il MIPS, usato da Nintendo, Silicon Graphics, Sony... l ISA del MIPS è simile ad altre architetture di CPU sviluppate dal 1980 le istruzioni MIPS operano su particolari supporti di memoria denominati registri, la cui lunghezza è di 32 bit = 4 Byte

4 Esempio di Istruzione MIPS Codice C (linguaggio di programmazione di alto livello): a = b + c Codice Assembly (istruzioni macchina human-friendly): add a, b, c # a è la somma di b e c Codice Macchina (istruzioni macchina machine-friendly):

5 Esempio di Istruzione MIPS Tradurre il seguente codice C in codice assembly: a = b + c + d + e add a, b, c add a, a, d add a, a, e oppure add a, b, c add f, d, e add a, a, f Le istruzioni sono semplici: numero prefissato di operandi Una singola riga di codice C diventa molteplici righe di codice assembly Alcune sequenze sono migliori di altre: la seconda sequenza necessita di una variabile (temporanea) f

6 Operandi In C, ogni variable è una locazione di memoria A livello hardware, accedere alla memoria è costoso Se una variable è acceduta ripetutamente, aiuterebbe portarsela in locazioni di memoria sul chip del processore, ed effettuare le operazioni sul chip. Le locazioni di memoria sul chip sono chiamate registri Per semplificare le operazioni, (quasi) tutte le istruzioni operano solo su registri I registri sono MOLTO costosi, quindi ce ne può essere solo un numero limitato e prefissato Ma in C possiamo usare tutte le variabili che ci pare

7 Registri MIPS La ISA del MIPS ha 32 registri Ogni registro è largo 32 bit (su architetture a 64 bit, ogni registro è largo 64 bit) Qualsiasi entità lunga 32 bit (4 byte) è chiamata word (parola) Per comodità di lettura, nel seguito indicheremo i registri come: $s1, $s2, per le variabili del linguaggio ad alto livello, e.g., C++ o Java $t1, $t2, per le variabili temporanee usate per tradurre le istruzioni ad alto livello in istruzioni assembler

8 Elenco Operandi MIPS Regola 1: La semplicità favorisce la regolarità Regola 2: Minori sono le dimensioni, maggiore è la velocità

9 Elenco Istruzioni MIPS Regola 1: La semplicità favorisce la regolarità Regola 2: Minori sono le dimensioni, maggiore è la velocità

10 Elenco Istruzioni MIPS Regola 1: La semplicità favorisce la regolarità Regola 2: Minori sono le dimensioni, maggiore è la velocità

11 Stored Program Istruzioni sono stringhe di bit Programmi: sequenze di istruzioni Programmi (come i dati) memorizzati in memoria La CPU legge le istruzioni dalla memoria (come i dati) Ciclo macchina (ciclo Fetch Decode Execute) La CPU legge (fetch) l istruzione corrente (indirizzata da un registro Program Counter = PC), e la pone in un registro speciale interno La CPU usa i bit dell istruzione per "controllare" le azioni da svolgere, e su questa base esegue l istruzione CPU determina la prossima istruzione e ripete il ciclo

12 Operandi e memoria I dati devono essere prelevati dalla memoria prima che le operazioni possano utilizzarli Load word lw $t0, indirizzo-di-memoria Processore Registro Memoria I dati devono essere immagazzinati in memoria quando necessario Store word sw $t0, indirizzo-di-memoria Processore Registro Memoria

13 Operandi e memoria Il compilatore organizza i dati del programma nella memoria Conosce la locazione in memoria di ogni variabile del programma Per ogni istruzione di load/store genera l opportuno indirizzo di memoria int a int b int c int d[10] indirizzo base

14 Operandi immediati Una istruzione potrebbe richiedere una costante come input Un istruzione immediata usa una costante numerica come uno degli input (al posto di un operando registro) addi $s0, $zero, 1000 # l indirizzo base del programma è 1000 immediate # ed è memorizzato in $s0 # $zero è un registro speciale # contenente sempre 0 addi $s1, $s0, 0 addi $s2, $s0, 4 addi $s3, $s0, 8 addi $s4, $s0, 12 # indirizzo della variabile a # indirizzo della variabile b # indirizzo della variabile c # indirizzo della variabile d[0]

15 Indirizzamento della memoria Siccome la dimensione minima di una cella di memoria si 1 byte, l indirizzamento di memoria è al byte (indirizzamento al byte) Nel MIPS (e in molte altre architetture) è obbligatorio che le parole di memoria abbiano indirizzi multipli di 4 (vincolo di allineamento) Codice C: d[3] = d[2] + a Assembler: lw $t0, 8($s4) # d[2] è caricato in $t0 offset lw $t1, 0($s1) # a è caricato in $t1 add $t0, $t0, $t1 # la somma è in $t0 sw $t0, 12($s4) # $t0 è scaricato in d[3]

16 Istruzioni Aritmetico/Logiche Le istruzioni aritmetiche del MIPS permettono solo operazioni elementari (add, sub, mult, div) tra coppie di operandi a 32 bit Le istruzioni logiche (and, or) sono bit a bit Tutte le istruzioni hanno 3 operandi L ordine degli operandi è fisso L operando destinazione in prima posizione Esempio Codice C: A = B + C Codice Assembler: add $t0, $s1, $s2 Il compilatore associa le variabili ai registri

17 Codifica in formato R-Type esempio add $t0, $s1, $s2 semantica $t0 = $s1 + $s2 codifica op rs rt rd shamt funct op: operazione base dell istruzione rs: registro del primo operando rt: registro del secondo operando rd: registro destinazione, che contiene il risultato dell operazione shamt: utilizzato per istruzioni di shift; posto a zero per le altre istruzioni funct: seleziona la specifica variante dell operazione base definita nel campo op

18 Istruzioni di trasferimento dati Leggere dalla memoria su registro: lw (load word) Scrivere da registro alla memoria: sw (store word) Esempio: Codice C: A[8] += h A è un array di numeri interi Codice Assembler: lw $15, 32($4) add $15, $5, $15 sw $15, 32($4) Indirizzo di memoria &A[8] $ displacement Nota: sw ha la destinazione come ultimo operando Nota: le istruzioni aritmetiche operano su registri, non su celle di memoria.

19 Codifica in formato I-Type esempio lw $t0, 32($s3) semantica $t0 = memory[$s3] + 32 codifica op rs rt 16-bit constant rs: registro della locazione di memoria rt: registro destinazione 16-bit constant: operando immediato (displacement) Questo formato codifica anche operazioni aritmetico-logiche con valori immediati, i.e., costanti: addi $t0, $s1, 8

20 Operazioni Logiche esempio sll $t2, $s0, 4 semantica $t2 = $s0 << 4 codifica rt rd shamt 0