Informazioni varie. Lezione 18 Il Set di Istruzioni (5) Dove siamo nel corso. Un quadro della situazione

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1 Informazioni varie Lezione 18 Il Set di Istruzioni (5) Vittorio Scarano Architettura Corso di Laurea in Informatica Università degli Studi di Salerno La lezione di martedì 20 maggio (9-12) non si tiene al suo posto la lezione di Analisi 1 (10-12) In sostituzione, la lezione di Mercoledì 21 Maggio durerà 3 ore (9-12) prendendo in prestito le 2 ore della lezione di Analisi 1 del mercoledì E uscita la versione 1.01 del programma SIM possibilità di linee di commento isolate le linee di commento prima del programma vengono visualizzate come Descrizione del programma implementazione della istruzione slti la istruzione jar verrà implementata nella vers di prossima uscita si può scaricare (basta il file SIM.jar!) dal sito 2 Un quadro della situazione Dove siamo nel corso Input/Output Sistema di Interconnessione Registri Central Processing Unit Memoria Principale Unità Aritmetico Logica Interconnessione interna alla Cosa abbiamo fatto circuiti combinatori e sequenziali Dove stiamo andando.. il set di istruzioni Perché: per poter comprendere il funzionamento e poter progettare la Unità di Controllo Il Set di Istruzioni Codifica della informazione Logica Digitale Unità Aritmetico Logica (ALU) Memoria Il set delle istruzioni Processore: unità di elaborazione Processore: unità di controllo Processore: pipeline Valutazione delle prestazioni Unità di Controllo 3

2 Organizzazione della lezione Le erazioni e gli erandi del MIPS Un richiamo su: Operazioni aritmetiche (add e sub) con formato R di trasferimento dati (lw e sw) con formato I di scelta: branch (beq e bne) e di salto (j), la slt Una istruzione per il salto: jr Operandi: uso di costanti Soluzione ad un esercizio (somme con condizione) Operazioni: 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 5 6 Il formato della istruzione add I campi del formato R La istruzione add $8, $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 $8, $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

3 Le erazioni e gli erandi 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 9 Istruzioni di trasferimento dati: la load-word $8 $ Memoria lw $8, 1000($19) Indirizzamento indicizzato nel registro $8 va caricato l elemento con uguale a il valore in $19 Uso di un registro indice 10 Istruzione di trasferimento dati: la store-word $8 $ Memoria sw $8, 1000($19) Indirizzamento indicizzato l elemento nel registro $8 va memorizzato nel.. l elemento con uguale a il valore in $19 Uso di un registro indice 11 Il formato della istruzione lw La istruzione lw $8, 1000($19) viene rappresentata in una parola: rs rt Questa codifica viene detta formato della istruzione Istruction (I) 12

4 I campi del formato I Istruzioni di branch: Branch-if-EQual (1) lw $8, 1000($19) rs rt Campo : erazione effettuata Campo rs: registro con indice Campo rt: registro destinazione Campo : partenza 13 $8 beq $8,, L1 =? se il valore del registro $8 è uguale al valore del registro allora salta alla istruzione con label L1 beq $8,, L1 lw $8, 1000($19) add $8, $18, $8 sw $8, 1000($19) L1: add $19, $19, $ Istruzioni di branch: Branch-if-EQual (2) Istruzioni di branch:branch ranch-if-not-equal (1) $8 beq $8,, L1 6 =? se il valore del registro $8 è uguale al valore del registro allora salta alla istruzione con label L1 beq $8,, L1 lw $8, 1000($19) add $8, $18, $8 sw $8, 1000($19) L1: add $19, $19, $2... $8 bne $8,, L1 not =? se il valore del registro $8 NON è uguale al valore del registro allora salta alla istruzione con label L1 bne $8,, L1 lw $8, 1000($19) add $8, $18, $8 sw $8, 1000($19) L1: add $19, $19, $

5 Istruzioni di branch:branch ranch-if-not-equal (2) Istruzioni di jump: Jump $8 bne $8,, L1 6 not =? se il valore del registro $8 NON è uguale al valore del registro allora salta alla istruzione con label L1 bne $8,, L1 lw $8, 1000($19) add $8, $18, $8 sw $8, 1000($19) L1: add $19, $19, $2... j L1 salta alla istruzione con label L1... j L1 add $8, $18, $8 sw $8, 1000($19) L1: add $19, $19, $ Il formato I: le istruzioni di branch Il formato I: le istruzioni di branch beq $8,, 1000 bne $8,, rs rt Campo : erazione effettuata Campo rs: registro con il primo erando Campo rt: registro con il secondo erando Campo : della label rs rt Campo : erazione effettuata Campo rs: registro con il primo erando Campo rt: registro con il secondo erando Campo : della label 19 20

6 Il formato J: le istruzioni di jump Istruzioni di scelta: Set-on on-less-than (1) j bit 26 bit Campo : erazione effettuata Campo : della label $10 <? 1 $1 slt $1,, $10 se il valore del registro è minore del valore del registro $10 allora poni a 1 il registro $1, altrimenti poni a 0 il registro $ Istruzioni di scelta: Set-on on-less-than (2) Istruzioni di scelta: Set-on on-less-than (3) slt $1,, $10 slt $1,, $10 $10 7 <? 0 $1 se il valore del registro è minore del valore del registro $10 allora poni a 1 il registro $1, altrimenti poni a 0 il registro $1 $10 6 <? 0 $1 se il valore del registro è minore del valore del registro $10 allora poni a 1 il registro $1, altrimenti poni a 0 il registro $

7 Il formato di slt : il formato R Riepilogo: i formati delle istruzioni bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit slt $1, $2, $3 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 Formato R: add $8,$17,$18 sub $8,$17,$18 rs rt rd shamt 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit Formato I: lw $8,1000($19) sw $8,1000($19) beq $8,, L1 rs rt Formato J: slt $1, $2, $3 j L1 6 bit 26 bit bne $8,, L1 26 Organizzazione della lezione Ancora un altra istruzione di scelta Un richiamo su: Operazioni aritmetiche (add e sub) con formato R di trasferimento dati (lw e sw) con formato I di branch e di jump Una istruzione per il salto: jr Operandi: uso di costanti Soluzione ad un esercizio (somme con condizione) Può rendersi necessario che si calcoli l a cui si deve effettuare un jump Un esempio è il costrutto switch: a seconda del valore di k si deve saltare ad un blocco di istruzioni switch (k) { case 0: f=i+j; break; case 1: f=g+h; break; case 2: f=g-h; break; case 3: f=i-j; break; } 27 28

8 Istruzioni di jump:jump Jump-Register Come usare jr per lo switch (1) $8 000 jr $8 Salta all di memoria contenuto in $8 jr $ L1: add $19, $19, $2... Assumiamo che la label L1 sia all Viene creata (in compilazione) un array di indirizzi JumpTable che contiene gli indirizzi di salto necessari switch (k) { case 0: f=i+j; break; case 1: f=g+h; break; case 2: f=g-h; break; case 3: f=i-j; break; } goto JumpTable[k] L0: f = i + j; goto Exit; L1: f = g + h; goto Exit; L2: f = g - h; goto Exit; L3: f = i - j; Exit:... JumpTable JumpTable[0] JumpTable[1] JumpTable[2] JumpTable[3] di L0 di L1 di L2 di L3 30 Come usare jr per lo switch (2) Il formato di jr : il formato R goto JumpTable[k] L0: f = i + j; goto Exit; L1: f = g + h; goto Exit; L2: f = g - h; goto Exit; L3: f = i - j; Exit:... Spiazzamento di Carica JumpTable Indirizzo per il salto add,, #k=2*k add,, #calcolo *k lw $8, JumpTableStart() jr $8 L0: add $16, $19, $20 j Exit L1: add $16, $17, $18 j Exit L2: sub $16, $17, $18 j Exit L3: sub $16, $19, $20 Exit: Assumiamo che il valore di k venga ciato in JumpTableStart JumpTable[0] di L0 JumpTable[1] JumpTable[2] JumpTable[3] di L1 di L2 di L bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit jr $8 rs rt rd shamt Campo : erazione effettuata Campo rs: registro con l erando Campo rt: inutilizzato Campo rd: inutilizzato Campo shamt: scorrimento

9 Riepilogo: i formati delle istruzioni Organizzazione della lezione Formato R: add $8,$17,$18 rs rt rd shamt 6 bit 5 bit 5 bit 5 bit 5 bit 6 bit Formato I: lw $8,1000($19) sw $8,1000($19) beq $8,, L1 rs rt Formato J: j L1 6 bit 26 bit sub $8,$17,$18 slt $1,$10,$11 jr $8 bne $8,, L1 33 Un richiamo su: Operazioni aritmetiche (add e sub) con formato R di trasferimento dati (lw e sw) con formato I di branch e di jump Una istruzione per il salto: jr Operandi: uso di costanti Soluzione ad un esercizio (somme con condizione) 3 Le erazioni e gli erandi Un altro tipo di indirizzamento 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 Tipi di indirizzamento: indirizzamento di un registro indirizzamento indicizzato in memoria Possibile l indirizzamento diretto (con spiazzamento a zero) Cosa altro è necessario? possibilità di specificare delle costanti Indirizzamento immediato (erandi costanti) Vogliamo istruzioni del tipo: Somma 1 al registro 5 Setta il registro 3 se il registro 5 è minore di

10 Istruzioni di somma con erando: addi Istruzioni di scelta con erando: slti addi $10,, slti $1,, 120 $ somma la costante al valore contenuto in e poni il risultato in $10 1 $1 se il valore del registro è minore di 120 allora poni a 1 il registro $1, altrimenti poni a 0 il registro $ Il formato per ind. immediato: il formato I Il formato per ind. immediato: il formato I addi $8,, 32 slti $1, $2, rs rt Campo : erazione effettuata Campo rs: registro destinazione Campo rt: registro con il primo erando Campo : erando da sommare rs rt Campo : erazione effettuata Campo rs: registro destinazione (set) Campo rt: registro con il primo erando Campo : erando da confrontare 39 0

11 Dimensione delle costanti Istruzioni di caricamento costante: lui Un problema: le costanti nel formato I possono essere solamente lunghe 16 bit se abbiamo bisogno di costanti più lunghe? Un commento: nella pratica le costanti sono piccole (0, 1,, etc.) Una soluzione costosa (ai casi meno frequenti): permettere di caricare una costante (16 bit) nei 16 bit più significativi di un registro (load upper immediate) sommare i 16 bit meno significativi (addi) posso usare la costante a 32 bit nel registro 1 lui $10, 127 Formato della lui: carica la costante 127 nei 16 bit più significativi del registro $ $ Il formato per lui: : il formato I lui $10, rs rt Campo : erazione effettuata Campo rs: inutilizzato Campo rt: registro da caricare Campo : erando da caricare 3 Come caricare una costante a 32 bit con la lui e la addi Supponiamo di dover caricare il valore in $10 Vale in binario Scindo il valore in binario in 2 valori a 16 bit: Il valore 127 per i bit più significativi Pari a Il valore 7 per i bit meno significativi Pari a lui $10, 127 # nei bit addi $10, $10, 7 # nei bit 15-0

12 Organizzazione della lezione Esercizio: le somme con condizione Un richiamo su: Operazioni aritmetiche (add e sub) con formato R di trasferimento dati (lw e sw) con formato I di branch e di jump Una istruzione per il salto: jr Operandi: uso di costanti Soluzione ad un esercizio (somme con condizione) Scrivere un programma in Assembler MIPS che partendo da un array A di 100 elementi, memorizzato a partire da ASTART somma solamente gli elementi di A minori di 10 Non si assuma che: le costanti che servono sono memorizzate in registri le variabili di uso sono correttamente inizializzate 5 6 Come si presenta un programma Assembler? Una soluzione all esercizio (1) descrizione dell algoritmo utilizzato (a parole e tramite pseudocodice) (2) descrizione dell utilizzo dei registri: variabili indice, registri per lo spiazzamento, registri per uso temporaneo (per istruzioni lw/sw), memorizzazione di costanti. (3) codice Assembler adeguatamente commentato sum = 0; for (i=0; i < 100; i++) if (A[i] < 10) sum = sum + A[i]; sum = 0; i = 0; Lo: if (!(A[i]<10)) goto Cont; sum = sum + A[i]; Cont: i = i + 1; if (i!=100) goto Lo; Soluzione in C ciclo con if prima della somma Pseudocodice tiene presente il tipo di istruzioni offerti dall assembler 7 8

13 Il programma per l esercizio 1 Esercizio 1: le somme con condizione sum = 0; i = 0; Lo: if (!(A[i]<10)) goto Cont; sum = sum + A[i]; Cont: i = i + 1; if (i!=100) goto Lo; $8 = uso temporaneo (lw) = variabile i $17 = variabile sum $19 = spiazzamento A[i] $1 = uso temporaneo (slti) $22 = costante 100 addi $17, $0, 0 # sum = 0 addi, $0, 0 # i = 0 addi $19, $0, 0 # spiazzamento = 0 addi $22, $0, 100 # costante 100 in $22 Lo: lw $8, ASTART($19) # carica A[i] in $8 slti $1, $8, 10 # if not A[i] < beq $0, $1, Cont #...goto Cont add $17, $17, $8 # sum = sum + A[i] Cont: addi,, 1 # i = i + 1 addi $19, $19, # increm. spiazz. di bne, $22, Lo # se i!= 100 goto Lo 9 Scrivere un programma in Assembler MIPS che partendo da un array A di 100 elementi, memorizzato a partire da ASTART somma solamente gli elementi di A minori di 10 e maggiori di 5 Non si assuma che: le costanti che servono sono memorizzate in registri le variabili di uso sono correttamente inizializzate 50 Esercizio 2: le somme con condizione Esercizio 3: la strcpy (..una.una specie di.. ) Scrivere un programma in Assembler MIPS che partendo da un array A di 100 elementi, memorizzato a partire da ASTART somma solamente gli elementi minori di Notare che la rappresentazione binaria di non entra in 16 bit Non si assuma che: le costanti che servono sono memorizzate in registri le variabili di uso sono correttamente inizializzate Scrivere un programma in Assembler MIPS che Effettui la cia del vettore A ( di partenza memorizzato in locazione 1000) nel vettore B ( di partenza memorizzato in locazione 100) Fino a quando il valore di A[i] non vale 0 (fine stringa). Non si assuma che: le costanti che servono sono memorizzate in registri le variabili di uso sono correttamente inizializzate 51 52

14 Esercizio : cia parziale di vettore Scrivere un programma in Assembler MIPS che Effettui la cia dei soli elementi positivi del vettore A (memorizzato a partire dalla locazione ASTART) nel vettore B (memorizzato a partire dalla locazione BSTART) Il vettore A ha 100 elementi Non si assuma che: le costanti che servono sono memorizzate in registri le variabili di uso sono correttamente inizializzate 53