Laboratorio di Architettura

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1 Laboratorio di Architettura Lezione 3 Andrea Torsello Dipartimento di Informatica Università Ca Foscari di Venezia p.1/84 PARTE NOIOSA Per arrivare poi a cose più divertenti e stimolanti, occorre prima imparare uno specifico linguaggio macchina/assembly È quello che faremo ora, imparando una specifica architettura MIPS (R2000/R3000 RISC) p.2/84

2 MA PRIMA... Facciamo una breve digressione storica su MIPS e la rivoluzione RISC p.3/84 Sistemi microprogrammati Dalla fine degli anni 50 agli anni 70 l architettura dominante era dei computer microprogrammati L idea era quella di fornire istruzioni molto complesse che rispecchiassero i costrutti dei linguaggi ad alto livello. Misurazioni di performance effettuate durante la metà degli anni 70 hanno dimostrato che la maggior parte delle applicazioni erano dominate da poche semplici istruzioni p.4/84

3 Sistemi microprogrammati Gli ingegneri hanno pensato che i computer avessero bisogno di numerose istruzioni complesse per operare in modo efficiente. È stata una idea sbagliata. Quel tipo di design ha prodotto macchine che non erano solo ornate, ma barocche, perfino rococo Joel Birnbaum (leader progetto 801, Watson Research Center, IBM) p.5/84 Avvento dei sistemi RISC La decade 80 si apre con due progetti presso due grosse università statunitensi il progetto RISC (Reduced Instruction Set Computer) coordinato dal Prof. David Patterson dell Università della Californaia a Berkeley e il progetto MIPS (Million of Instructions Per Second) coordinato dal Prof. John Hennessy dell Università di Stanford p.6/84

4 L intuizione dei sistemi RISC L idea fondamentale dei sistemi RISC è quella di fornire istruzioni molto semplici Istruzioni dal potere descrittivo minimo e dal tempo di esecuzione uniforme In questo modo la complessità viene spostata dal microprocessore (per cui si paga il costo sempre) al compilatore (per cui si paga il costo solo una volta) p.7/84 Il vantaggio dei sistemi RISC Questa semplificazione porta molti vantaggi: lo spazio risparmiato dall implementazione di istruzioni complesse può essere usato per memoria (cache) e altri trucchi che velocizzano l esecuzione delle istruzioni rimaste l uniformità delle istruzioni permette di velocizzarne la decodifica ma soprattutto... l uniformità e prevedibilità dei tempi di esecuzione delle istruzioni permette di eseguire più operazioni in parallelo p.8/84

5 Parallelismo Il maggiore parallelismo nell esecuzione delle istruzioni è di due tipi: Duplicazione delle unità di esecuzione Pipelining p.9/84 Pipelining L esecuzione viene divisa in più fasi distinte tutte della stessa durata Ad ogni fase corrisponde una zona del microprocessore Quando una istruzione ha passato una fase l istruzione successiva può iniziare l esecuzione di quella stessa fase Anche se ogni istruzione ci mette lo stesso tempo, vengono eseguite più istruzioni per unità di tempo Tutte le parti del microprocessore sono in attività in ogni momento p.10/84

6 Pipelining Assumiamo che ci siano 5 fasi: 1. IF (instruction fetch): l istruzione successiva viene caricata 2. ID (instruction decoding): l istruzione viene decodificata 3. EX (execution): In questa fase avvengono i conti aritmetici 4. MEM (Memory access): In questa fase si accede alla memoria 5. WB (write back): I risultati vengono scritti p.11/84 Pipelining Se si aspetta che ogni fase sia terminata per iniziare l istruzione successiva, si esegue una istruzione ogni 260 ns IF 50 ID 50 EX 60 MEM 50 Istruzione 1 WB 50 IF 50 ID 50 EX 60 MEM 50 Istruzione 2 WB 50 IF 50 ID 50 EX 60 MEM 50 Istruzione 3 WB 50 p.12/84

7 Pipelining Allunghiamo tutte le fasi in modo che ci mettano quanto la più lenta più un overhead dovuto all implementazione della pipeline (65 ns). Il tempo per terminare una istruzione aumenta (da 260 ns a 325 ns) Facciamo partire l istruzione successiva appena l istruzione corrente supera la prima fase. Portiamo a termine una istruzione ogni 65 ns Istruzione 1 Istruzione 2 Istruzione 2 IF 65 ID 65 IF 65 EX 65 ID 65 IF 65 MEM 65 EX 65 ID 65 WB 65 MEM 65 EX 65 WB 65 MEM 65 WB 65 p.13/84 Pipelining La tecnica del pipelining era nota anche prima......ma richiedeva logica aggiuntiva (interlock) per bloccare l immissione di nuove istruzioni quando erano presenti istruzioni che usavano più cicli Questi interlock richiedevano tempo e limitavano l incremento di velocità L uniformità dei tempi di esecuzione delle istruzioni ha eliminato la necessità degli interlock p.14/84

8 L eredità dei sistemi RISC L ondata di semplificazione ha permesso lo sviluppo di tecniche di ottimizzazione molto spinte Questo ha portato ad una nuova sensibilità per analisi più quantitative della performance dei sistemi Tutti i microprocessori attuali devono molto alla rivoluzione RISC (anche se alcuni sistemi come gli Intel x86 fanno di tutto per nasconderlo) p.15/84 ISA MIPS oggi Il set di istruzioni MIPS è diventato uno standard. Può essere trovato in: chip embedded (frigoriferi, microonde, lavastoviglie,...) sistemi di telecomunicazioni (router Cisco, modem ADSL,...) palmari (Windows CE) console (Playstation, Nintendo 64, Playstation 2, Playstation Portable) ed altro (smartcard, set-top boxes, stampanti, robot,...) Attualmente è il secondo set di istruzione per diffusione ISA: Instruction Set Architecture p.16/84

9 Riprendendo... MIPS (R2000/R3000 RISC) È la specifica architettura che useremo durante il corso, come esempio di linguaggio macchina/assembly Quando avremo una certa conoscenza di tale architettura, potremo andare in laboratorio e lavorarci effettivamente (tramite l interprete SPIM) p.17/84 Memoria Abbiamo detto che la memoria si distingue in: memoria a registri (o semplicemente registri), interna al processore memoria esterna (o semplicemente, memoria), esterna al processore p.18/84

10 I REGISTRI Ci sono 32 REGISTRI (+3): $zero, $v0, $v1, $k0, $k1 $sp, $ra, $at, $gp, $fp $s0, $s1, $s2,..., $s7 $t0, $t1, $t2,..., $t9 $a0, $a1, $a2, $a3 Hi, Lo, PC NOTA: questi sono nomi convenzionali dell assembler SPIM. Altri assembler possono dare altri nomi (es. $0, $1,..., $31) p.19/84 A cosa servono? Lo vedremo man mano che esploreremo le istruzioni del linguaggio macchina p.20/84

11 Le istruzioni RISC: Reduced Instructions Set Computer Tutte le istruzioni hanno la stessa lunghezza Nel nostro caso (MIPS), tale lunghezza è 32 BITS p.21/84 La prima metà La prima metà ha quasi sempre la stessa struttura per tutte le istruzioni: 6 BITS 5 BITS 5 BITS op = opcode op reg1 reg2 reg1 = primo registro reg2 = secondo registro p.22/84

12 L Opcode I primi 6 bits (op), sono l OPCODE (OPerational CODE: codice operazionale) Determinano di che operazione si tratta E.g. add, sub, mult,... p.23/84 Reg 1 e Reg2 Nei successivi bits, c è spazio per indicare due registri. I dati contenuti in questi registri vengono usati nell operazione NON SEMPRE servono tutti e due, ma lo spazio è prefissato p.24/84

13 La seconda metà La struttura della seconda metà invece non è unica Ci sono essenzialmente due possibilità, a seconda che ci sia bisogno di una costante letterale Es. la costante 1 in b=a+1 p.25/84 Primo caso: tipo R Nel cosiddetto tipo R tutti gli operandi sono contenuti in registri 5 bits 5 bits 6 bits dest spost variant p.26/84

14 Spiegazione dest è il registro destinatario spost è lo spostamento (shift) variant è usato per specificare particolari varianti dell operazione p.27/84 Tipicamente... spost è zero (zero spostamento) variant è zero (nessuna variante) Quindi l istruzione tipica del tipo R è: 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits op reg1 reg2 dest 0 0 l istruzione vuol dire fai qualcosa con i registri reg1 e reg2, e metti il risultato in dest p.28/84

15 Secondo caso: tipo I Nel tipo I, invece, tutta la seconda metà ha un solo valore Immediato: 16 bits indirizzo p.29/84 L eccezione: tipo J C è infine un terzo formato di istruzioni, usato per contenere dati ancora più grandi Il suo formato è: 6 bits 26 bits op indirizzo p.30/84

16 Le tre famiglie fondamentali Come detto nella lezione precedente, ci sono tre famiglie fondamentali di istruzioni, per: 1. Manipolazione di dati 2. Movimento di dati 3. Flusso di dati p.31/84 1. Manipolazione di dati 1.1 Aritmetica di base: +, -, *, /, < 1.2 Operazioni logiche p.32/84

17 1.1 Aritmetica di base Ovviamente, si possono eseguire le quattro operazioni fondamentali: +, -, *, / Più un test di diseguaglianza ( < ) p.33/84 ADDIZIONE In assembly: add dest, reg1, reg2 In linguaggio macchina dunque: 0 reg1 reg2 dest 0 variant=20 hex Istruzione di tipo R p.34/84

18 SOTTRAZIONE In assembly: sub dest, reg1, reg2 In linguaggio macchina dunque: 0 reg1 reg2 dest 0 variant=22 hex p.35/84 MOLTIPLICAZIONE In assembly: Mult reg1,reg2 In linguaggio macchina: 0 reg1 reg2 0 0 variant=18 hex NON C È IL DESTINATARIO p.36/84

19 MOLTIPLICAZIONE Non c è il registro destinatario perché stiamo moltiplicando due registri (reg1 e reg2) Ogni registro è grande 32 bits, quindi il risultato è di 64 bits: servono DUE registri per tenere il risultato, non ne basta uno La scelta fatta è stata dunque quella di FISSARE i due registri dove andrà il risultato il risultato va nei due registri $Hi e $Lo (i primi 32 bits in $Hi, gli altri 32 in $Lo) p.37/84 DIVISIONE In assembly: div reg1, reg2 In linguaggio macchina: 0 reg1 reg2 0 0 variant=1a hex NEANCHE QUI C È IL DESTINATARIO p.38/84

20 DIVISIONE Questa volta, il risultato STAREBBE in un registro (dividiamo un registro per qualcosa, quindi il risultato starebbe comodamente in un registro) MA... anche qui, per parallelismo con la moltiplicazione, si fissa il registro risultato il risultato va nel registro $Lo BONUS: viene anche calcolato il RESTO della divisione, che va nel registro $Hi p.39/84 < (minore) In assembly: slt dest,reg1,reg2 slt = set less than Pone dest = 1 se reg1 < reg2, e 0 altrimenti In linguaggio macchina dunque: 0 reg1 reg2 dest 0 variant=2a hex p.40/84

21 Variante immediata Per tutte queste operazioni, è possibile specificare direttamente un numero (di 16 bits) al posto di uno dei due registri: dest = registro1 operazione numero La corrispondente istruzione immediata si ottiene in assembly aggiungendo una i al nome: addi,... p.41/84 ESEMPI delle varianti immediate Addizione classica add dest, reg1, reg2 Addizione immediata addi dest, reg1, numero Non esite subi, perché? p.42/84

22 1.2 Operazioni Logiche In linguaggio macchina si possono effettuare: Spostamenti (shifts) AND, OR, XOR, NOR p.43/84 Operazioni logiche (cont.) A cosa servono? Servono a manipolare i bit p.44/84

23 Ma prima... Rivediamo la rappresentazione binaria... p.45/84 Numero binario Una word è composta da 32 cifre binarie b 31 b 30 b b 2 b 1 b 0 il suo valore è : b b b b b 0 = 31 i=0 b i2 i Sempre positivo p.46/84

24 E i negativi? Come facciamo a rappresentare i numeri negativi? Un modo è quello di mantenere un bit per il segno (bit 31), per cui 3 = = p.47/84 Complemento a 1 Questa rappresentazione dei numeri negativi si chiama complemento a 1 è semplice da comprendere e le operazioni aritmetiche sono relativamente semplici da implementare...ma ha due rappresentazioni per 0: 0 = = il complemento a 1 è utilizzato per i numeri con la virgola (verdemo più avanti), ma per gli interi si usa un atra rappresentazione p.48/84

25 Complemento a 2 Il bit 31, invece di corrispondere a 2 31 lo facciamo corrispondere a 2 31 così b 31 b 30 b b 2 b 1 b 0 vale 2 31 b i=0 b i2 i per cui: 3 = = p.49/84 Vantaggi Il bit 31 ci dice comunque il segno Ogni numero è rappresentato in un unico modo Un po più complicato da capire, ma meno di quel che sembra Le operazioni sono semplici. p.50/84

26 Addizione vediamo come funziona l addizione tra due numeri con segno. Se i numeri sono entrambi positivi numeri positivi l operazione è invariata. NOTA: C è errore se c è un riporto alla 32-esima cifra (overflow) Se i numeri sono uno positivo e uno negativo l addizione funziona come se i due numeri non avessero segno! p.51/84 Addizione Se i numeri sono entrambi negativi è come una addizione senza segno delle prime 31 cifre. Il risultato è corretto solo se c è un riporto alla 32-esima cifra (overflow) Esempio (a 4 bit): = ( ) + (-8+4+2) = = (1) =(1) 1101= (1) 101 = 1101 p.52/84

27 MIPS Le operazioni aritmetiche viste sin ora agivano su numeri con il segno Esistono varianti delle operazioni aritmetiche che considerano le words come cifre a 32 bit senza segno Le varianti senza segno si identificano perché finiscono per u: addu, addiu, subu,... p.53/84 Operazioni logiche Torniamo alle operazioni sui bit... p.54/84

28 AND, OR, XOR Codificano le corrispettive operazioni logiche Interpretazione logica sui bits: 0 falso 1 vero p.55/84 AND, OR, XOR (cont.) Tutte queste operazioni, eseguite su numeri più grandi di un singolo bit, vengono eseguito bit a bit Esempio: 1011 and 0110 = 0010 p.56/84

29 AND Tabella della AND ( e ): p.57/84 OR Tabella della OR ( o ): p.58/84

30 XOR Tabella della XOR ( o esclusivo ): p.59/84 Perché proprio queste? Al di là della interpretazione logica, ci sono tantissime altre funzioni possibili Esempio: p.60/84

31 Perché (cont.) Perché tramite queste tre operazioni, possiamo ottenere qualsiasi altra operazione sui bit Questo spiega perché bastano queste tre Non sono le uniche con questa proprietà, ma sono anche tra le più utili in pratica p.61/84 Numero minimo Qual è il numero minimo di operazioni con cui possiamo ottenere ogni altra operazione sui bit? Ne basta una! per esempio... NAND (not and) p.62/84

32 NAND Tabella della NAND: p.63/84 Cosa fanno? Interpretazione funzionale Tramite AND, OR e XOR possiamo modificare un bit a seconda se il secondo operando è 0 o 1 and 0, oppure and 1 p.64/84

33 AND 0 and 0 : 0 and 0 = 0 [copia] 1 and 0 = 0 [metti 0 (spegni)] Cioè: 0 and 0 = 0 [spegni] 1 and 0 = 0 [spegni] and 0 serve a SPEGNERE p.65/84 AND 1 and 1 : 0 and 1 = 0 [copia] 1 and 1 = 1 [copia] and 1 serve a COPIARE p.66/84

34 AND Due operazioni: and 0 : SPEGNERE and 1 : COPIARE p.67/84 In Assembler and agisce su words, il che significa che possiamo agire contemporaneamente sui 16 bits di una word, con le due operazioni sopra dette (CANCELLA o COPIA) p.68/84

35 AND in Assembler Esempio: andi $t0, $t1, 127 andi $t0, $t1, prendi t1, cancella gli 8 bits piu a sinistra, copia gli 8 bits più a destra, e metti il risultato in t0 Se t1= allora con la and t0= p.69/84 AND In assembly: and dest, reg1, reg2 In linguaggio macchina dunque: 0 reg1 reg2 dest 0 variant=24 hex p.70/84

36 A cosa serve? verificare quali bit siano accesi t1 andi è diverso da 0 se e solo se dice se il sesto bit di t1 è acceso. in grafica...per animazione e rilevamento delle collisioni p.71/84 OR 0 or 0 : 0 or 0 = 0 [copia] 1 or 0 = 1 [copia] or 0 serve a COPIARE p.72/84

37 OR 1 or 1 : 0 or 1 = 1 [accendi] 1 or 1 = 1 [copia] Cioè: 0 or 1 = 1 [accendi] 1 or 1 = 1 [accendi] or 1 serve ad ACCENDERE p.73/84 OR In assembly: or dest, reg1, reg2 In linguaggio macchina dunque: 0 reg1 reg2 dest 0 variant=25 hex p.74/84

38 A cosa serve In grafica... per accendere selettivamente (disegnare solo la figura) (Il mouse pointer) p.75/84 XOR 0 xor 0 : 0 xor 0 = 0 [copia] 1 xor 0 = 1 [copia] xor 0 serve a COPIARE p.76/84

39 XOR 1 xor 1 : 0 xor 1 = 1 [accendi] 1 xor 1 = 0 [spegni] Cioè: 0 xor 1 = 1 [inverti] 1 xor 1 = 0 [inverti] or 1 serve ad INVERTIRE p.77/84 XOR Due operazioni: xor 0 : COPIARE xor 1 : INVERTIRE p.78/84

40 XOR In assembly: xor dest, reg1, reg2 In linguaggio macchina dunque: 0 reg1 reg2 dest 0 variant=26 hex p.79/84 Utilità INVERTIRE è una operazione che è reversibile (INVERTI(INVERTI)) = COPIA non necessita di memoria ulteriore... p.80/84

41 Esempi Giochi (trasparenza, refresh, sprites) Grafica e suono... p.81/84 Il miracolo... Volete implementare la funzione SCAMBIA (SWAP), che scambia il contenuto di due registri (o variabili) R1 e R2 Ad esempio, se t0=5 e t1=12, dopo SCAMBIA (t0,t1) avremo t0=12 e t1=5 Quanti registri servono come minimo...? p.82/84

42 Soluzione classica Servono tre registri I due registri, più un registro temporaneo TEMP TEMP := R1 R1 := R2 R2 := TEMP p.83/84 Il miracolo di XOR Miracolosamente, invece, usando XOR servono SOLO DUE REGISTRI Paradossale!!!! esercizio (basta usare solo la xor e nessun altra istruzione) capite come si sposta l informazione... p.84/84