Lezione4: MIPS e Istruzioni (1 Parte)

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1 Architettura degli Elaboratori Lezione4: MIPS e Istruzioni (1 Parte) Michele Nappi [email protected] Alcune slide di questa lezione sono prodotte dal Prof. Luigi Palopoli

2 AGENDA L'architettura di una macchina MIPS Organizzazione della memoria I registri della CPU L'esecuzione dei diprogrammi Il ciclo fetch execute Il simulatore SPIM

3 Architettura MIPS Obiettivo i : linguaggio i assembly dell architettura MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) Architettura MIPSappartiene alla famigliadelle architetture RISC ( Reduced Instruction Set Computer) sviluppate dal 1980 in poi Esempi: Sun Sparc, HP PA RISC, IBM Power PC, DEC Alpha Principali obiettivi delle architetture RISC: Semplificare la progettazione dell hardware e del compilatore Massimizzare le prestazioni Minimizzare i costi

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8 It Istruzioni ieseguite direttamente t dall'hardware d Massimizzare la frequenza di esecuzione delle istruzioni Istruzioni facili da decodificare poche, poco varie, tutte tt di uguale lunghezza Accesso alla memoria solo attraverso istruzioni dedicate di caricamento/memorizzazione (load/store ) Gli operandi di un'istruzione devono sempre risiedere nei registri del processore

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10 Componenti del processore MIPS 32 registri di tipo general purpose p ciascuno di dimensione 32 bits Numerosi registri special purpose purpose PC ( program counter ) HI, LO ( risultato di moltiplicazione/divisione ) Altri registri accessibili solo dall' hardware Arithmetic Logic Unit ( ALU ) esegue calcoli aritmetici con i registri

11 Registri general purpose possono essere usati in qualunque q modo dal programma è convenzione assegnareun certo tipo di utilizzo ad alcuni registri general purpose d i ll i iè i t t d aderire alle convenzioni è importante, rende possibile l'interazione con programmi scritti da altri

12 Registri igeneral purpose ( GPR ) sono prefissati con il simbolo $ e sono numerati da $0 a $31 hanno anche nomi basati sul tipo di utilizzo (convenzione) $0 $zero $4 $a0 $8 $t0 $29 $sp i nomi sono utilizzati nei programmi assembly per migliorarne la leggibilità, la comprensione

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14 I registri ispeciali ililo e HI registri speciali non prefissati con il simbolo $ che contengono il risultato t delle dll istruzioni it i idi moltiplicazione e divisione Sono previste istruzioni ioni per spostare il contenuto to dei registri LO e HI nei registri di tipo GPR Ei Esistono 32 registri iper le operazioni ifloating point (virgola mobile) indicati come : $f0,, $f31 Per le operazioni in doppia precisione si usano i registri contigui: $f0, $f2, $f4,

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16 Il registro it speciale il PC ( program counter ) ( instruction ti address register ) contiene l'indirizzo dell'istruzione attualmente in esecuzione ( istruzione corrente ) Per cambiare l'istruzione eseguita, cambiare il valore di PC: ha effetto dopo il completamento dell'istruzione Corrente di norma viene aggiornato implicitamente con l'indirizzo dell'istruzione successiva le istruzione di branch e jump modificano esplicitamente il registro PC Registro IR ( instruction register ) memorizza l istruzione che il processore sta eseguendo

17 Le istruzioni di un programma sono eseguite Le istruzioni di un programma sono eseguite dall'hardware MIPS in un ciclo fetch execute

18 Memoria Gli indirizzi sono formati da 32 bits Spazio indirizzabile da 0x a 0x FF FF FF FF uno spazio indirizzabile i di circa 4 giga bytes i programmi possono accedere alla memoria con le istruzioni LOAD/STORE, appositamente previste dall'architettura MIPS load (copia) un valore dalla memoria ad un registro GPR store (copia) un valore da un registro GPR alla memoria 1, 2 o 4 bytes in alla volta 1, 2 o 4 bytes in alla volta Le istruzioni logico/aritmetiche non possono accedere alla memoria ( architettura LOAD/STORE )

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20 Text segment inizia all'indirizzo di memoria 0x contiene il codice del programma utente Data segment (segmento dati) inizia all'indirizzo di memoria 0x cresce verso lo stack (indirizzi crescenti) dati statici del programma: dati la cui dimensione è conosciuta al momento della compilazione e il cui intervallo di vita coincide con l esecuzione del programma dati dinamici: contiene dati ai quali lo spazio è allocato dinamicamente al momento dell'esecuzione del programma su richiesta del programma stesso

21 Stack segment Architettura MIPS (cont.) inizia all'indirizzo di memoria 0x 7F FFF FFF cresce espandendosi d iin basso verso il data segment contiene lostack del sistema usato come memoria temporanea per: variabili locali di funzioni argomenti di funzione indirizzi di ritorno registri salvati

22 System heap Architettura MIPS (cont.) area compresa tra il data segment e lo stack segment la memoria richiesta ihi dinamicamente dal programma inesecuzione è prelevata dall'heap e assegnata al programma la memoria rilasciata dal programma ritorna all' heap

23 BUS di Sistema Bus dati, comprende le linee per trasferire dati e istruzioni da/verso la memoria. In generale, la dimensione del bus dati è tale da garantire il trasferimento contemporaneo di una o più parole di memoria; Bus indirizzi, su cui la CPU provvede a trasmettere l indirizzo di memoria da cui prelevare il dato nel caso di lettura dalla memoria, oppure in cui depositarlo nel caso di scrittura nella memoria; Bus di controllo, dove transitano le informazioni ausiliarie per la corretta definizione delle operazioni da compiere (per esempio l'indicazione i che si vuole effettuare una lettura piuttosto che una scrittura) e per la sincronizzazione tra CPU e memoria.

24 Il simulatore SPIM Esiste un ottimo simulatore dell'architettura MIPS (R2000) )gratuito per diverse piattaforme (Unix, MS Windows, Macintosh) facile da usare dispone di interfaccia grafica