Corso di Architettura (Prof. Scarano) 09/04/2002

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1 Corso di Architettura (Prof. Scarano) 09/0/2002 Un quadro della situazione Lezione 15 Il Set di Istruzioni (1) Vittorio Scarano Architettura Corso di Laurea in Informatica Università degli Studi di Salerno Input/Output Registri Principale Sistema di Interconnessione Central Processing Unit Unità Aritmetico Logica Interconnessione interna alla Unità di Controllo 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 2 Organizzazione della lezione La programmazione dei calcolatori La programmazione dei calcolatori Alcuni principi progettuali Introduzione al linguaggio macchina MIPS operazioni operandi Operazioni aritmetiche (add e sub) di trasferimento dati (lw e sw) Indirizzamento indicizzato della memoria 3 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 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) 5 6 1

2 Corso di Architettura (Prof. Scarano) 09/0/2002 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 hello.c #include <stdio.h>... file compilatore oggetto /* Prototipi funzioni */ stdio.h Libreria di Funzioni I/O standard Interfaccia alla libreria di funzioni I/O standard linker gcc hello.c a.out file eseguibile 7 8 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 9 10 Java: la macchina virtuale Alcuni principi Java Virtual Machine Un programma che esegue programmi Le istruzioni vengono rappresentate da numeri i programmi vengono immagazzinati in memoria insieme ai dati Storicamente: architettura introdotta dall EDVAC opposta alla Harvard architecture che aveva spazi di memoria diversi per dati e programmi Hello.class

3 Corso di Architettura (Prof. Scarano) 09/0/2002 Il linguaggio del calcolatore La semplicità della realizzazione Linguaggio macchina: composto di istruzioni 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 operazioni più comuni che ottimizzi i costi di produzione che permetta prestazioni alte competitività sul mercato 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) 1 Le operazioni e gli operandi Operazioni aritmetiche Processore MIPS (tipica architettura) Operazioni di tipo diverso: operazioni aritmetiche operazioni di trasferimento (memoria ) operazioni di scelta e controllo del flusso operazioni di supporto alle procedure Operandi: accesso ai della macchina accesso alla memoria uso di costanti 15 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 operandi la semplicità favorisce la regolarità 16 Il prezzo della semplicità Gli operandi 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 operandi devono provenire da locazioni particolari di memoria dette 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 e dai alla memoria è compito del compilatore inserire le istruzioni necessarie

4 Corso di Architettura (Prof. Scarano) 09/0/2002 I Il ruolo del compilatore Dimensione di un registro MIPS 32 bit (detta parola) Le caratteristiche dei : alta velocità di accesso limitati in numero (32 ) ($0, $1,..$31) Convenzione MIPS: rappresentati da: $s0, $s1,..., i che contengono variabili $t0, $t1,..., i di uso temporaneo Altro principio di progettazione: piccolo = veloce (clock) Assegnare variabili a 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) Le operazioni e gli operandi Istruzioni trasferimento dati: perchè? Operazioni di tipo diverso: operazioni aritmetiche operazioni di trasferimento (memoria ) operazioni di scelta e controllo del flusso operazioni di supporto alle procedure Operandi: accesso ai della macchina accesso alla memoria uso di costanti $0 $1 $2 $31 Il numero limitato di rende possibile la realizzazione della velocizza il clock..ma rende necessario introdurre istruzioni per trasferire il contenuto dei in memoria e viceversa La Indirizzamento della $0 $1 $2 $31 Permette l accesso alle locazioni fornendo l indirizzo Come un array monodimensionale, indicizzato tramite l indirizzo 23 $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 2

5 Corso di Architettura (Prof. Scarano) 09/0/2002 Istruzioni di trasferimento dati: la load-word lw, () Indirizzamento indicizzato nel registro va caricato l elemento con indirizzo uguale a + il valore in Uso di un registro indice 25 Il ruolo del registro indice lw, () Utile per scorrere array al variare di Attenzione! Il registro indice deve sempre variare di in 26 Istruzione di trasferimento dati: la store-word sw, () Indirizzamento indicizzato l elemento nel registro va memorizzato nel.. l elemento con indirizzo uguale a + il valore in Uso di un registro indice 27 Un programma di esempio (1) $18 lw, () add, $18, sw, () 28 Un programma di esempio (2) Un programma di esempio (3) $18 lw, () add, $18, sw, () 29 $ lw, () add, $18, sw, () 30 5

6 Corso di Architettura (Prof. Scarano) 09/0/2002 Alcuni commenti Esercizi Le istruzioni di trasferimento dati prevedono: accesso al byte 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() 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 $s0, $s1 e $s2 scriva nella parola con indirizzo la somma dei tre. 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 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? 33 6