1 Tema 2: Arquitectura del repertorio de instrucciones
Visión del computador que tiene el programador en bajo nivel
Lo que el programador en lenguaje ensamblador debe conocer para escribir programas:
- Los registros del procesador
- Tipos de instrucciones
- Tipos de operandos
- Modos de direccionamiento - Formato de las instrucciones
2. Arquitectura del repertorio de instrucciones (ISA)
2.1 Introducción (diseño del ISA; cómo es una instrucción) 2.2 Los registros (del procesador)
2.2 Tipos de instrucciones (qué operaciones) 2.3 Tipos de operandos
2.4 Modos de direccionamiento (especificación de los operandos) 2.5 Formato de las instrucciones (codificación binaria)
3 2.1 Introducción
Diseño del ISA
Es un nivel complicado de diseñar Al hacerlo, hay que tener en cuenta:
el software (compilador de LANs) que tiene que soportar la estructura del hardware que lo soportará
Es la conexión entre ambos niveles: lenguaje que ambos tienen que entender
Es un punto de encuentro de el diseñador de la estructura y el programador a bajo nivel del computador (o el escritor del compilador):
- el diseñador de la estructura ve el nivel ISA como la funcionalidad que ésta debe dar al programador
- el programador se hace consciente de la estructura definida por el diseñador: cómo usa los registros, qué operaciones tiene la ALU, cómo accede a memoria y qué tipos de datos tiene
Objetivo común de los diseñadores de computadores:
– encontrar un lenguaje que haga fácil la construcción del hardware y del software (el compilador)
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Cómo es una instrucción
Los programas en este nivel se expresan en lenguaje ensamblador swap:muli $2, $5,4
add $2, $4,$2 lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) jr $31
El lenguaje ensamblador es ‘equivalente’ al lenguaje máquina 00000000101000010000000000011000
00000000100011100001100000100001 10001100011000100000000000000000 10101100011000100000000000000100 00000011111000000000000000001000
El lenguaje máquina, lo interpreta y ejecuta directamente el hardware del computador
Formado por instrucciones (máquina) simples
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Una instrucción especifica tanto la operación a realizar como los
operandos a utilizar en esta operación
(1) Las operaciones son básicas (las que realiza la estructura del computador):
- aritmético-lógicas (de la ALU): suma, resta, AND, OR, desplazamientos
- movimientos de datos entre registros y memoria
(2) Los operandos: objetos con los que se opera (fuentes) y el resultado de la operación (destino); estarán en registro o memoria
Sintaxis típica de una instrucción en lenguaje ensamblador
Ejemplo: Lenguaje ensamblador del procesador MIPS R2000/3000
4 campos básicos: etiqueta, nemónico de la instrucción, operandos (2 fuentes y 1 destino) y comentarios (opcional)
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Fíjate que el número de operandos fuente de una instrucción aritmética como la suma son dos
Esto permite tener una ALU más sencilla
Para evaluar expresiones aritméticas que aparecen en los lenguajes de alto nivel (LAN) habrá que ejecutar varias instrucciones aritméticas de bajo nivel
Ejemplo: la sentencia de alto nivel a=b+c+d+e se implementa con la secuencia de instrucciones de bajo nivel:
add a, b, c add a, a, d add a, a, e
Esto es un ejemplo de la diferencia de nivel de abstracción de un LAN y un lenguaje ensamblador ó máquina (1 instrucción de alto nivel equivale a 3 de bajo)
2.2 Los registros
Pequeña memoria rápida en el procesador para almacenamiento temporal de información
Su número y función varían entre los distintos diseños de arquitecturas del repertorio de instrucciones
Hoy en día, casi todas las arquitecturas son con registros de
propósito general: conjunto de registros manejables por el
programador, para contener operandos y especificar direcciones de memoria
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Tipos de arquitecturas del repertorio de instrucciones Una primera clasificación (histórica) según el tipo de almacenamiento temporal para los operandos
Esto determina el número de operandos explícitos por instrucción
Almacenamiento temporal Ejemplos Operandos explícitos Operando destino en … 1. Pila HP 3000 0 Pila 2. Acumulador PDP-8 Motorola 6809 1 Acumulador 3. Conjunto de registros IBM 360 DEC VAX,MIPS 2 ó 3 Registros o memoria
Dónde están los operandos, en los distintos tipos de arquitectura: - arquitectura de pila: implícitamente en la cima de la pila (memoria) - arquitectura de acumulador: implícitamente uno de los fuente y el
destino en el registro acumulador y el otro fuente en memoria
- arquitectura de registros: en registros o posiciones de memoria, 2 ó 3 operandos explícitos
Según el tipo de arquitectura de registros:
i) se podrá hacer operaciones ALU con datos en memoria, ó ii) habrá que cargarlos en registros para operar con ellos (MIPS)
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Veamos como se traduciría la secuencia de código C = A + B para las 3 clases de arquitectura:
(A, B y C son variables: los valores de A, B, C están en memoria y los valores de A y B no cambian)
Pila Acumulador Registro
PUSH A LOAD A LOAD R1, A PUSH B ADD B ADD R1, B ADD STORE C STORE C, R1 POP C
(1) Pila Ventajas:
- evaluación sencilla de expresiones (polaca inversa)
- instrucciones cortas: como máximo se especifica un operando Inconveniente:
- muchas transferencias con memoria (2) Acumulador
Ventajas:
- minimización de los estados internos de la máquina - instrucciones cortas: sólo se especifica un operando Inconveniente:
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(3) Registros
Las arquitecturas de registros dominan hoy día Ventajas:
- Los registros son fáciles de usar por el compilador, pueden ser asociados con las variables, con lo que se consigue:
• una disminución del tiempo de ejecución: reducción del tráfico de memoria (los registros son más rápidos)
• una mejor densidad de código: menos bits necesarios especificar un registro que una dirección de memoria
Veamos una clasificación de las arquitecturas de registros atendiendo a:
(1) el número de operandos (2 ó 3) que se especifican
explícitamente las instrucciones aritmético-lógicas
Si se especifican dos operandos, uno de ellos es fuente y destino
(2) el número de operandos que pueden estar en memoria en las instrucciones aritmético-lógicas (de 0 a 3)
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Las posibles combinaciones de estas 2 características son:
Máximo número de operandos
explícitos por
instrucción ALU (1)
Número de operandos que pueden estar en memoria por instrucción ALU (2) Ejemplos 2 0 IBM RT-PC 3 0 SPARC, MIPS 2 1 PDP-10, Motorola 68000, IBM 360 2 2 PDP-11 3 3 VAX
Los tres tipos más comunes de arquitecturas de registro atendiendo a estas dos características son:
Tipo Ventajas Inconvenientes Registro-registro (3,0) Carga-almacenamiento Codificación simple de instrucciones de longitud fija Nºciclos/instrucción similares Necesarias más instrucciones que arquitecturas con referencias a memoria Registro-memoria (2,1) Fácil codificación de las instrucciones Se destruye un operando
19 Registros del procesador
Son de dos tipos:
(1) visibles al programador en lenguaje ensamblador: puede ser utilizados explícitamente en una instrucción
(2) de control y de estado: usados por
(a) la unidad de control para controlar el funcionamiento de la CPU: proceso de instrucciones y accesos a memoria
(b) el SO para controlar la ejecución de los programas
(1) Registros manejables por el programador: Junto con la ALU forman el camino de datos
Se utilizan para contener los operandos de las instrucciones máquina o para especificar una dirección de memoria
Pueden ser referenciados explícitamente en las instrucciones máquina Por ejemplo en la MIPS mediante un número:
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Los compiladores pueden usarlos para asociarlos con variables y disminuir el tráfico con memoria
El ejemplo anterior (a=b+c+d+e) add a, b, c add a, a, d add a, a, e
en realidad se implementa asociando las variables con registros: a - $8, b - $9, c - $10, d - $11, e - $12,
de forma que el compilador generaría: add $8, $t9, $10 add $8, $8, $11 add $8, $8, $12
Cuestiones de diseño de los registros manejables por el programador: (a) Respecto al uso que le puede dar el programador:
(1) de propósito general: pueden contener datos y especificar direcciones (MIPS)
(2) de datos: sólo pueden contener datos
(3) de dirección: sólo para especificar direcciones (modos de direccionamiento indirecto ó base+desplazamiento)
(b) Número de registros
La experiencia dice que entre 8 – 32
Menos Æ no suficientes para contener variables Æmuchas referencias
a memoria
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(c) Tamaño de los registros
Habrá que decidir si todos los registros tienen el mismo tamaño (MIPS) o no
(1) los que han de contener direcciones, lo suficientemente largo para contener direcciones completas
(2) los que han de contener datos, lo suficientemente largos para contener la mayoría de los tipos de datos: una palabra
A menudo es posible usar dos registros de datos contiguos como uno solo para contener valores de doble longitud
(MIPS: los registros para punto flotante doble precisión)
(2) Registros de control y estado del funcionamiento de la CPU: En la mayoría de las máquinas, no manejables por el usuario Algunos serán manejables por instrucciones ejecutadas en modo supervisor (control del SO)
(a) Registros de control
(1) Contador de programa: contiene la dirección de la instrucción a ejecutar
(2) Registro de instrucción: contiene la instrucción a ejecutar
(3) Registro de dirección de memoria: contiene la dirección de una posición de memoria para ser leída o escrita
(4) Registro de buffer de memoria: contiene la palabra de datos a escribir en memoria o que ha sido leída
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En esta figura vemos los registros de control
(b) Registro de estado (del programa en ejecución)
Contiene los códigos de condición y otra información de estado (i) Los códigos de condición (indicadores o ‘flags’) son valores binarios (bits) que especifican si se ha producido una determinada circunstancia en una operación ALU
Pueden ser de signo, cero, acarreo, overflow,…
Son utilizados implícitamente en las instrucciones de salto condicional
(ii) Además de los códigos de condición la palabra de estado puede contener bits para:
27 Ejemplos de organización de registros: 2 microprocesadores
contemporáneos (1978):Motorola MC68000, Intel 8086
Motorola MC68000:
Registros de 32 bits: 8 de datos y 9 de dirección (1) Los de datos:
También se usan como registros índice (un modo de direccionamiento) Permiten operaciones con 8,16 y 32 bits según determine el código de operación (MIPS)
(2) Los de direcciones:
A7 y A7’ punteros de pila para usuarios y para SO respectivamente (3) Contador de programa de 32 bits y registro de estado de 16 Decisiones de diseño:
(1) repertorio de instrucciones regular sin registros de uso especial (2) división en dos grupos, ahorro de 1 bit (compromiso razonable
29 Intel 8086
Enfoque diferente en la organización de los registros: cada registro tiene un uso particular aunque algunos pueden tener uso general 4 registros de datos de 16 bits, direccionables también como bytes Uso general en algunas instrucciones e implícito en otras, p.e. la multiplicación usa siempre el acumulador
Registros de segmento uso dedicado e implícito, apuntan a los segmentos de datos, código y pila (base + desplazamiento) Los índice implícitos en algunas operaciones: contienen
desplazamientos dentro de cada segmento(base + desplazamiento)
Decisiones de diseño: codificación compacta Æ flexibilidad reducida
Intel 80386
Microprocesador de 32 bits, diseñado como una ampliación del 8086 (16 bits)
Conserva la organización de registros original integrada en la nueva
organización Æ proporciona compatibilidad ascendente para los
programas del 8086
Tuvieron que limitar la flexibilidad al diseñar la organización de los registros
31 Características del banco de registros del MIPS R2000
(1) Banco de registros de propósito general: 32 Registros de 32 bits (CPU)
Se identifican como $0 a $31. Ejemplo: add $2, $3, $4 ($2=$3+$4) El registro $0 tiene permanentemente el valor 0
(2) Dos registros especiales de 32 bits (CPU)
HI y LO: almacenan los resultados de multiplicaciones y divisiones. (3) Banco de registros de reales (FPU)
32 registros de 32 bits que puede utilizarse como:
- 32 registros de 32 bits con formato IEEE 754 de simple precisión. Se identifican por $f0, $f2, $f4, …, $f30
- 16 registros de 64 bits con formato IEEE 754 de doble precisión. Se identifican por $f0, $f2, $f4, …, $f30
33
Convención en el uso de los registros en la MIPS
Nombre del registro
Número Uso
zero 0 Constante 0
at 1 Reservada para ensamblador
v0 2 Para devolver resultados de funciones v1 3 “
a0 4 Argumento 1 a una rutina a1 5 Argumento 2 “
a2 6 Argumento 3 “ a3 7 Argumento 4 “
t0..t7 8..15 Temporal (no se guarda valor entre llamadas) s0..s7 16..23 Temporal (el valor se guarda entre llamadas) t8, t9 24, 25 Temporal (no se guarda valor entre llamadas) k0, k1 26, 27 Reservado para el kernel del sistema operativo gp 28 Puntero al área global (apunta al bloque de datos) sp 29 Puntero de pila
fp 30 Puntero de marco de pila
ra 31 Dirección de retorno, usado por llamadas a rutina
35 2.2 Tipos de instrucciones
Las instrucciones soportadas por la mayoría de las arquitecturas pueden clasificarse según la siguiente tabla:
(I) Aritméticas y lógicas Aritméticas
En todas las máquinas
La mayoría suma, resta, multiplicación y división Tipos de operandos:
- todas con enteros con signo
- algunas con enteros sin signo (MIPS) - a menudo con punto flotante (MIPS) - a veces para BCD
Otras operaciones aritméticas posibles: - valor absoluto
- cambio de signo
37 Lógicas
En todas las máquinas
Operaciones sobre datos lógicos: operaciones lógicas bit a bit Operaciones lógicas en la MIPS: AND, OR, NOR y XOR
Ejemplo: sean los valores en registros: R1 = 10100101 y R2 = 00001111 R1 AND R2 = 00000101
39 Examples of ALU Instructions
Instruction Meaning Machine
MULF A, B, C multiply the32-bit floating point values at mem loc’ns.
A and B, store at C VAX11
nabs r3, r1 Store abs value of r1 in r3 PPC601
ori $2, $1, 255 Store logical OR of reg $1 with 255 into reg $2
MIPSR3000
DEC R2 Decrement the 16-bit value stored in reg R2
DECPDP11
SHL AX, 4 Shift the16-bit value in reg AX left by 4 bit pos’ns.
Intel8086
(II) Transferencia de datos
Operación: copiar un dato de un sitio a otro Existe en todas las máquinas
Debe especificar:
- operandos fuente y destino (en registro o memoria) - longitud datos a transferir
Opción de diseño: dónde especifico el tamaño del dato: - en el código de operación (MIPS: lb ó lw)
- en el operando (VAX)
Operación muy sencilla en el caso registro-registro (no en la MIPS) Si es con memoria, habrá que calcular la dirección del dato y hacer el acceso a memoria (más lenta que los registros)
41 Examples of Data Movement
Instructions Instruction Meaning Machine
MOV A, B Move 16 bits from memory location A to Location B
VAX11
LDA A, Addr Load accumulator A with the byte at memory location
Addr M6800
lwz R3, A Move 32-bit data from memory location A to register
R3 PPC601
lw $3, addr Load the 32-bit integer at memory location addr into
register $3 MIPS R3000
mov R4, dout Move 16-bit data from R4 to output port dout
DEC PDP11
IN AL, KBD Load a byte from in port KBD to accumulator
Intel Pentium
(IV) Control (de flujo de ejecución)
En las instrucciones vistas hasta ahora la instrucción que se ejecutará a continuación es la siguiente en memoria
Las instrucciones de control cambian esta secuencia de ejecución (ruptura de secuencia)
Para ello tendrán que especificar que instrucción se ejecutará a continuación
La operación que realiza la CPU es actualizar el registro contador de programa (PC) para que contenga la dirección en memoria de la
43
Tipos de rupturas de secuencia:
(1) Bifurcaciones (branch): rupturas de secuencias condicionales La condición puede ser el valor de un bit de estado, la comparación (con cero) del valor de un registro (MIPS) ó la comparación de los valores de 2 registros (MIPS)
(2) Saltos (jump): rupturas de secuencia no condicionales (3) Llamadas y retornos de procedimientos: para ejecutar un procedimiento y retornar al programa principal
(V) Sistema
En todas las máquinas
Llamadas al sistema operativo (MIPS:syscall) para que realice algún servicio: entrada/salida, detener la ejecución del programa,…
en la MIPS
45
Operaciones con reales En casi todas las máquinas La MIPS las tiene
(VII) Decimal
Para operar con datos BCD No las tiene
(VIII) Cadenas
Para copiar o mover cadenas de caracteres No las tiene
Veamos un resumen del repertorio de instrucciones de la MIPS:
MIPS IV Instruction Set
(1) Arithmetic and Logical Instructions (2) Constant-Manipulating Instructions (3) Comparison Instructions (4) Branch Instructions (5) Jump Instructions (6) Load Instructions (7) Store Instructions
(8) Data Movement Instructions (9) Floating-Point Instructions
47 (1) Arithmetic and Logical Instructions
Addition (with overflow)
add rd, rs, rt
Put the sum of registers rs and rt into register rd
Addition immediate (with overflow)
addi rt, rs, imm
Put the sum of register rs and the sign-extended immediate into register rt
If the addition results in 32-bit 2’s complement arithmetic overflow then the destination register is not modified and an Integer Overflow
exception occurs
AND
and rd, rs, rt
Put the logical AND of registers rs and rt into register rd
AND immediate
andi rt, rs, imm
Put the logical AND of register rs and the zero-extended immediate into register rt
Divide
div rs, rt
Divide register rs by register rt. Leave the quotient in register lo and the remainder in register hi
Multiply
mult rs, rt
Multiply registers rs and rt. Leave the low-order word of the product in register lo and the high-order word in register hi
49 NOR
nor rd, rs, rt
Put the logical NOR of registers rs and rt into register rd
OR
or rd, rs, rt
Put the logical OR of registers rs and rt into register rd
OR immediate
ori rt, rs, imm
Put the logical OR of register rs and the zero-extended immediate into register rt
Shift left logical
sll rd, rt, shamt
Shift left logical variable
sllv rd, rt, rs
Shift right arithmetic
sra rd, rt, shamt
Shift right arithmetic variable
srav rd, rt, rs
Shift right logical
srl rd, rt, shamt
51 Subtract (with overflow)
sub rd, rs, rt
Put the difference of registers rs and rt into register rd.
If the subtraction results in 32-bit 2’s complement arithmetic
overflow then the destination register is not modified and an Integer Overflow exception occurs
Exclusive OR
xor rd, rs, rt
Put the logical XOR of registers rs and rt into register rd.
XOR immediate
xori rt, rs, imm
Put the logical XOR of register rs and the zero-extended immediate into register rt
(2) Constant-Manipulating Instructions Load upper immediate
lui rt, imm
Load the lower halfword of the immediate imm into the upper halfword of register rt. The lower bits of the register are set to 0
Cargar una palabra inmediata en un registro
No hay una instrucción máquina para ello Se puede hacer con un lui y un ori
Por ejemplo lui $t0, 0x1234 # t0=0x12340000
ori $t1, $t0, 0x5678
# t1=0x12340000 OR 0x00005678 cargaría la palabra 0x12345678 en el registro t1
53 (3) Comparison Instructions
Set less than
slt rd, rs, rt
Set register rd to 1 if register rs is less than rt, and to 0 otherwise
Set less than immediate
slti rt, rs, imm
Set register rt to 1 if register rs is less than the sign-extended immediate, and to 0 otherwise
(4) Branch Instructions Branch on equal
beq rs, rt, label
Conditionally branch to instruction specified by label if register rs equals rt
Branch on greater than equal zero
bgez rs, label
Conditionally branch to instruction specified by label if register rs is greater than or equal to 0
Branch on greater than zero
55 Branch on less than equal zero
blez rs, label
Conditionally branch to instruction specified by label if register rs is less than or equal to 0
Branch on less than zero
bltz rs, label
Conditionally branch to instruction specified by label if register rs is less than 0
Branch on not equal
bne rs, rt, label
Conditionally branch to instruction specified by label if register rs is not equal to rt
(5) Jump instructions Jump
j target
Unconditionally jump to the instruction at target
Jump and link
jal target
Unconditionally jump to the instruction at target; save the address of the next instruction in register $ra
Jump register
jr rs
57 (6) Load Instructions
Load byte
lb rt, address
Load unsigned byte
lbu rt, address
Load the byte at address into register rt; the byte is sign-extended by lb, but not by lbu
Load halfword
lh rt, address
Load unsigned halfword
lhu rt, address
Load the 16-bit quantity (halfword) at address into register rt; the halfword is sign-extended by lh, but not by lhu
59 (7) Store Instructions
Store byte
sb rt, address
Store the low byte from register rt at address
Store halfword
sh rt, address
Store the low halfword from register rt at address
Store word
sw rt, address
Store the word from register rt at address
(8) Data Movement Instructions Move from hi
mfhi rd
Move from lo
mflo rd
Move the hi (lo) register to register rd
Move to hi
mthi rs
Move to lo
mtlo rs
Move register rs to the hi (lo) register
Mover un registro a otro
No existe una instrucción máquina para ello Se puede hacer con un add rd, rs, $zero #rd=rs+0
61 (9) Floating-Point Instructions
No las veremos
(10) Exception and Interrupt Instructions System call
syscall
Register $v0 contains the number of the system call (see Figure A.17) provided by SPIM
2.4. Tipos de operandos
El tipo de un dato viene determinado por la operación que se realice con él
Categorías generales más importantes: (1) Direcciones
(2) Números (3) Caracteres (4) Datos lógicos
63 (1) Direcciones
En las instrucciones de control de secuencia el operando es una dirección de memoria de la instrucción a la que se salta
Pueden considerarse como números enteros sin signo
En la MIPS serán números de 32 bits
(2) Números
Son usuales tres tipos de datos numéricos:
(i) Enteros
- con signo, representados en complemento a 2 - sin signo
Tamaños: byte, media palabra (half-word), palabra (word)
(ii) Punto flotante
IEEE 754: simple precisión (32 bits) y doble precisión (64 bits)
(iii) Decimal
En BCD (Decimal codificado en binario):
- empaquetado: 2 dígitos decimales por byte. Ejemplo: 01001001 -> 49 - no empaquetado: 1 dígito/byte. Ejemplo: 00000100 00001001 -> 49 MIPS no los tiene
65 (3) Caracteres
Códigos binarios para representar caracteres mediante secuencias de bits
Estándares:
- ASCII de 8 bits
- EBCDIC de 8 bits (utilizado por los grandes computadores IBM) MIPS no tiene instrucciones específicas para tratamiento de
caracteres
(4) Datos lógicos
Un objeto de n bits es considerado como n datos de 1 bit Utilizados en operaciones lógicas
67 2.4. Modos de direccionamiento
Distintas formas que tiene la arquitectura para especificar los
operandos Objetivos:
- referenciar un rango elevado de posiciones de memoria principal (número de bits para el direccionamiento limitado)
- dar soporte a las estructuras de datos de alto nivel Puede ser:
- para datos, sobre los que opera la instrucción
- para instrucciones, especifica la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar (en instrucciones de control)
Veremos:
- aspectos del almacenamiento de datos en memoria: alineación y
orden de los bytes
- los distintos modos de direccionamiento
2.4.1. Necesidades de direccionamiento Dónde puede estar un operando:
- en la propia instrucción - en un registro
69
A simple vista, lo lógico sería que en la propia instrucción se
especificase el operando, su dirección en memoria o el registro que lo contiene
No siempre lo más indicado por las siguientes razones: - ahorro de espacio: direccionamientos indirectos,
base+desplazamiento e indexado, ocupan menos bits que una dirección
- código reubicable: con los direccionamientos relativos a una dirección base (almacenada en un registro)
- estructuras de datos: direccionamientos relativos a la dirección base (en un registro) de la tabla, con un desplazamiento (en un registro o una constante), direccionamientos
auto-incremento/decremento y escalado o índice
2.4.2. Interpretación de las direcciones de memoria
¿Qué objeto es accedido dada una dirección y una longitud?
Dos convenios para ordenar en memoria los bytes de un objeto multibyte:
- little endian: el byte en la dirección menos significativa es el del extremo menos significativo
- big endian: el byte en la dirección menos significativa es el del extremo más significativo
71 Convenios para clasificar los bytes de una palabra:
- Little Endian: La dirección de un dato es la dirección de la parte menos significativa del dato
- Big Endian: La dirección de un dato es la dirección de la parte más significativa del dato
Aspecto importante cuando se intercambia información entre distintas máquinas
Alineación de los datos en memoria
Algunas arquitecturas exigen que los objetos mayores de un byte estén alineados en memoria
Definición: un acceso a un objeto de tamaño t bytes en el byte de
dirección D se alinea si D mod t = 0 (mod: resto de la división D/t)
Es decir, la dirección del objeto debe ser múltiplo de su tamaño en bytes
73
El alineamiento permite simplificar los accesos a memoria: hardware más sencillo y la misma velocidad de acceso para cualquier palabra en memoria
Ejemplo ‘little-endian’:
75 2.4.3. Descripción de los distintos modos de direccionamiento
Para especificar algunos modos de direccionamiento usaremos la siguiente notación:
A = especificación de una dirección de memoria (Address) R = especificación de un registro (Register)
EA = dirección real del operando en memoria (Effective address) (X) = contenido de la posición de memoria X o del registro X
77
(1) Direccionamiento por registro
El campo de dirección especifica un registro donde está el operando
OPERANDO = (R)
n bits del campo de dirección necesarios para referenciar 2n registros
Ventajas : campo de direcciones pequeño y no hay accesos a memoria
Desventaja: espacio de posiciones limitado
Ejemplo: add r4, r3 equivale a r4 = r4 + r3
(2) Direccionamiento inmediato
El operando está en la propia instrucción
OPERANDO = Operand
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Número en complemento a 2, se hace extensión del signo al cargarlo en un registro
Ventaja: una vez captada la instrucción, no se necesitan más
referencias a memoria
Desventaja: pocos bits para codificar el dato
VAX permite distintos tamaños para operandos inmediatos: 6, 8, 16,
32 y 64 bits
MIPS solo permite 16 bits
(3) Direccionamiento directo
El campo de dirección contiene la dirección efectiva del operando
EA = A
Muy sencillo, usada en las 1ªs computadoras
Desventaja: limitación del rango de direcciones por el tamaño del campo
81 Direccionamiento indirecto (por memoria o por registro)
Solución a la limitación del direccionamiento directo (4) Direccionamiento indirecto por registro
Se especifica un registro donde está la dirección del operando
EA = (R)
Supera la limitación del nº de bits para especificar la dirección y un solo acceso a memoria para obtener el operando
Ejemplo: add r2, (r5) equivale a r2 = r2 + M[r5]
(5) Direccionamiento indirecto por memoria
El campo de direcciones contiene la dirección de una palabra donde está la dirección del operando
EA = (A)
Desventaja: dos accesos a memoria, para obtener el operando
83
(6) Direccionamiento base + desplazamiento
Combina posibilidades del directo (facilidad de uso) y del indirecto por registro (menos bits para especificar dirección)
Habrá que especificar un registro y un valor. La suma del contenido del registro y el valor es la dirección del operando
EA = (R) + A
Ejemplo: add r4,28(r1) equivale a r4 = r4 + M[28+r1]
Para tratar vectores: el registro puede apuntar al principio del vector y el desplazamiento selecciona el elemento correspondiente
(7) Direccionamiento relativo al contador de programa Caso particular de direccionamiento base + desplazamiento
El registro referenciado implícitamente es el contador de programa El campo de direcciones se trata como un número en complemento a 2, y representa un desplazamiento relativo al PC
85
(8) Direccionamiento indexado
La dirección del operando es la suma de dos registros
Para acceder a vectores de forma más versátil que base +
desplazamiento. Un registro contiene la base del vector y el otro el índice del elemento correspondiente
Ejemplo: add r3, (r1+r2) equivale a r3= r3+M[r1+r2]
(9) Direccionamiento autoincremento
Indirecto por registro con autoincremento del mismo
Ejemplo: add r1,(r3)+ equivale a r1= r1 + M[r3]
r3=r3+d
(d:tamaño del elemento) (10) Direccionamiento autodecremento
Igual pero se autodecrementa el registro (11) Direccionamiento escalado o índice Para soportar tratamientos de arrays
87
Los cinco modos de direccionamiento del MIPS son:
(1) Direccionamiento inmediato
El operando se encuentra codificado en la propia instrucción, representado como dato inmediato
(2) Direccionamiento a registro
El operando está en un registro cuyo identificador se encuentra codificado en la instrucción
89
(3) Direccionamiento base (+desplazamiento)
La dirección efectiva del operando se obtiene sumando un
desplazamiento que se encuentra en la instrucción con una dirección base que se encuentra en un registro especificado también por la instrucción
(4) Direccionamiento relativo al contador de programa
Es un caso particular del direccionamiento base (+desplazamiento) donde el registro que contiene la dirección base es de forma implícita el PC y el desplazamiento es de instrucciones (4 posiciones de
91
Este modo de direccionamiento se utiliza en instrucciones de
bifurcación
Ya que el desplazamiento es de 16 bits, este modo de
direccionamiento permite saltar dentro del rango de palabras ±215
respecto a la instrucción
Esto es suficiente para implementar bucles y sentencias ‘if’
Este modo de direccionamiento, especifica un salto relativo (número de instrucciones) a la instrucción de bifurcación
(5) Direccionamiento pseudodirecto
La dirección se calcula concatenando los 4 bits más significativos del PC con la dirección de 26 bits especificada en la instrucción y dos ceros
93 2.5. Formato de las instrucciones
Representación de las instrucciones en el computador Mediante 0s y 1s: una instrucción máquina es un número
Cómo se agrupan en distintos campos que especificar la operación y los operandos
Instrucción máquina = combinación de números (valores de los campos)
Tamaño de las instrucciones: aspecto básico del diseño del formato Compromiso entre:
- repertorio de instrucciones potente (más operaciones, más operandos, más modos de direccionamiento y mayor rango de direcciones (más registros)): más bits para codificar
- programas cortos: instrucciones cortas y de longitud variable - sencillez del hardware de captación y decodificación de las
instrucciones: tamaño de las instrucciones fijo e igual al tamaño de la palabra de la máquina
95 Codificación de los modos de direccionamiento
Según el número de modos de direccionamiento que tenga una arquitectura:
Características de los formatos de instrucción que deben tener las
arquitecturas:
- Cada computador tiene unos pocos formatos: cada instrucción se ajusta a uno de ellos. Cuantos menos más sencilla la unidad de control
- Son sistemáticos: campos del mismo tipo tienen la misma longitud y ocupan el mismo sitio dentro de la instrucción (código de
97 Ejemplos de formatos de instrucciones
IBM 360
16 registros de tipo general: 0 – 15 Palabra de 32 bits
Modos de direccionamiento del computador: - inmediato (8 bits)
- registro: Ri (4 bits)
- almacenamiento (base + desplazamiento): Bi (registro base), Di (desplazamiento de 12 bits)
- indexado: Xi (registro índice), Bi (registro base), Di (desplazamiento)
Tiene 5 formatos de instrucción, según los modos de direccionamiento 2 o 3 operandos explícitos, cada uno mediante un modo de
99
Veamos ejemplos de instrucciones (RR, RS y SI) del IBM 360: Especificación de las instrucciones:
Descripción Código mnemónico Código operación Formato instrucc. Especificación de los operandos Suma normalizada larga ADR 2A RR R1, R2 Salta si índice alto BXH 86 RS R1, R3, D2(B2) Movimiento inmediato MVI 92 SI D1(B1), inmediato
ADR 3, 4 equivale a 0x2A34
BXH 5, 8, X’6B8’(7) equivale a 0x865876B8
MVI X’A49’(6), X’3F’ equivale a 0x923F6A49
El VAX
Formato de instrucción muy flexible: código de operación de 8 bits, seguido de un máximo de cinco especificadores de operando:
101
Cada especificador de operando se compone de dos o tres partes: 1. Código del modo de direccionamiento (4 bits):
- 5: registro
- 0xC: base + desplazamiento (de 16 bits) - 0xA: base + desplazamiento (de 8 bits)
- Para especificar un operando inmediato los 2 bits más significativos son 00 y los 6 bits restantes se utilizan para codificar el valor del operando
2. especificación de registro (4 bits)
3. (opcional) especifica un desplazamiento en el direccionamiento base + desplazamiento (8, 16 ó 32 bits)
103 Ejemplos:
Dar la instrucción máquina equivalente a:
CLRL R13 equivale a 0xD45D
MOVW 362(R3), 67(R12) equivale a 0xB0C36A01AC43 ADDL3 #58, R1, 55(R11) equivale a 0xC13A51AC37
Formatos de instrucción de la MIPS
105
Los tipos de instrucciones en cada formato son:
- Formato tipo R: utilizado por las instrucciones aritméticas y lógicas que no tienen operandos inmediatos
- Formato tipo I: utilizado por las instrucciones de transferencia, las de salto condicional (bifurcación) y las instrucciones con operandos inmediatos
- Formatos tipo J: utilizado por las instrucciones de salto
Veamos ejemplos de los distintos formatos:
1. Tipo R
- op: operación básica de la instrucción, tradicionalmente llamada código de operación
- rs: primer registro operando fuente - rt: segundo registro operando fuente
- rd: registro operando destino, donde se almacena el resultado de la operación
- shamt: tamaño del desplazamiento (shift amount)
107 Instrucciones aritméticas y lógicas:
(1) 3 operandos en registros: Ejemplos:
Cuidado, son números en decimal
109
(2) 2 operandos en registros:
Desplaza rt (fuente), ‘shamt’ posiciones, y pon el resultado en rd (destino)
Por ejemplo: sll $7, $3, 5
0 0 3 7 6 0
2. Tipo I
2.1. Instrucciones de transferencia (de datos entre memoria y
111
Existen instrucciones de carga distintas para los diferentes tamaños de objeto:
En todos los casos, el direccionamiento para el segundo operando es base (registro rt) + desplazamiento (valor especificado en la propia instrucción con 16 bits):
El uso de etiquetas en ensamblador evita al programador hacer el cálculo con direcciones:
113 2.2. Instrucciones de salto condicional (bifurcación)
La instrucción “beq rs, rt, L1”(branch if equal) significa ir a la sentencia etiquetada con L1 si el valor del registro rs es igual al valor del registro rt
La instrucción “bne rs, rt, L1”(branch if not equal) significa ir a la
sentencia etiquetada con L1 si el valor de rs no es igual al valor en rt
El modo de direccionamiento empleado es direccionamiento con desplazamiento relativo al contador de programa
Se especifica el desplazamiento (16 bits) con respecto al contador de programa donde está la instrucción destino del salto Æ las
instrucciones de bifurcación pueden saltar 215-1 instrucciones hacia
delante y 215 hacia atrás
En ensamblador, el uso de etiquetas libera al programador del tedioso cálculo de las direcciones de salto:
115 2.3. Instrucciones con un operando inmediato
Para operaciones con constantes:
Direccionamiento inmediato
3. Tipo J
3.1. Instrucciones de salto (incondicional)
Direccionamiento pseudodirecto: donde la dirección de salto son los 26 bits de la instrucción concatenados con los bits de mayor peso del contador de programa:
117
Ejemplos de modos de direccionamiento de la MIPS
(1) Inmediato
Instrucción ensamblador: addi $t0,$t1,4 (operando inmediato)
Tipo I
Instrucción máquina: 001000010010100000000000000000100 4
Operación a realizar: $t0 = $t1 + 4
Contenido de los registros antes de la operación:
119
(2) Registro:
Instrucción ensamblador: sub $10, $11, $12 (los 3 operandos direccionados en modo registro)
Tipo R
Instrucción máquina: 00000001011011000101000000100010 $11 $12 $10
Operación a realizar:
$10 = $11 - $12 = 7 – 4 = 3
Contenido de los registros después de la operación:
(3) Base (+desplazamiento)
Instrucción ensamblador: sw $13, 8($14) (dir.base+desplaz.) Instrucción máquina: 10101101110011010000000000001000
$14 8
Operación: transfiere la palabra en el registro $13 a la posición de memoria especificada (8 + $14)
121
Contenido de los registros antes de la operación:
De forma que la operación a realizar es:
M ($14 + 8) = M (0x10010008) = $13 = 0x1234567
El valor queda almacenado en la correspondiente posición de memoria:
(4) Relativo al contador de programa
Este modo de direccionamiento, especifica un salto relativo (número de instrucciones) a la instrucción de bifurcación
Instrucción ensamblador: bgez $t2, instr1 (dir. relativo al PC)
123
Instrucción máquina: 00000101010000010000000000000010 2
Operación: bifurca a la instrucción especificada por la etiqueta instr1 si el registro $t2 es mayor o igual que 0
Sea [0x0040002C] la dirección de la instrucción de bifurcación (bgez
$t2, instr1) Æ instr1 = 0x0040002C + (2*4)= 0x00400034, que
es la dirección de la instrucción destino del salto (add $t7,$t1,$t2)
(5) Pseudodirecto
La dirección se calcula concatenando los 4 bits más significativos del PC con la dirección de 26 bits especificada en la instrucción y dos ceros
Instrucción ensamblador: j instr2 (dir. pseudodirecto)
add $t7, $t0,$t1 instr2: add $t7, $t1, $t2 Operación : salta a la instrucción especificada por instr2
125
Instrucción máquina: 00001000000100000000000000010000
Sea [0x00400038] la dirección de la instrucción de salto (j instr2) instr2 = 00000000010000000000000001000000 = 0x00400040, que es la dirección de la instrucción destino del salto (add $t7,$t1,$t2)
