3.2 Arhitectura setului de instrucţiuni ISA. Copyright Paul GASNER

Size: px

Start display at page:

Download "3.2 Arhitectura setului de instrucţiuni ISA. Copyright Paul GASNER"

Andrew Curtis
5 years ago
Views:

1 3.2 Arhitectura setului de instrucţiuni ISA Copyright Paul GASNER

2 Programarea CPU Programele scrise în limbaje de nivel înalt trebuie compilate pentru a obţine un program executabil Din punctul de vedere al procesorului, programul este un set de instrucţiuni pe care le execută. Ele trebuie să fie înţelese de către acesta limbajul maşină, specific fiecărui procesor în parte Program nivel înalt Compilator Fişier executabil Unitate Control Cod instrucţiuni Core CPU Software Hardware Copyright Paul GASNER 2

3 Limbaje de nivel înalt Limbajele de nivel înalt prezintă câteva facilităţi pentru programare apropiate de modul de gândire uman: bucle (for, while, loop) decizii (if-then-else) funcţii, rutine sau proceduri pentru abstractizarea codului variabile şi vectori pentru stocare Prezintă siguranţă prin includerea mesajelor de eroare şi verificarea sintaxei Un avantaj major este portabilitatea acelaşi program scris într-un limbaj înalt poate fi compilat pe mai multe maşini şi executat, comportându-se indentic Copyright Paul GASNER 3

4 Limbaje de nivel coborât Fiecare CPU are propriul set de instrucţiuni sau cod maşină care reflectă nemijlocit designul acestuia Setul de instrucţiuni este dificil de înţeles pentru om: controlul instrucţiunilor se limitează la jump şi branch suport foarte limitat pentru funcţii şi proceduri adresele din memorie trebuie specificate direct (nu lucrează cu variabile) Verificarea erorilor este practic inexistentă Este foarte dificil de a retranscrie programul scris în cod maşină pentru un al procesor Copyright Paul GASNER 4

5 Compilarea Un compilator traduce un program scris într-un limbaj de nivel înalt în cod maşină pentru a putea fi executat de CPU A nu se confunda un compilator cu un interpretor (vechiul Basic, Perl, Lisp etc) La procesoarele simple era preferabilă scrierea programelor direct în cod maşină deoarece se obţineau executabile mai mici şi mai rapide decât cele furnizate de compilatoare Programele şi procesoarele de astăzi sunt mult prea complexe pentru a putea scrie, întreţine şi obţine eficienţa maximă a codului maşină Copyright Paul GASNER 5

6 Limbaj de asamblare şi limbaj maşină Instrucţiunile în limbaj maşină sunt o succesiune de biţi (specifică fiecărei instrucţiuni) În programare se utilizează limbajul de asamblare: se asociază nume operaţiilor şi operanzilor există o corespondenţă biunivocă (aproape) între aceste nume şi instrucţiunile cod maşină (specifice procesorului) şi astfel programele scrise în limbaj de asamblare sunt portabile Traducerea între limbajul de asamblare şi limbajul maşină, şi invers, este realizată de asambloare Sunt trei categorii principale de instrucţiuni operaţii de manipulare a datelor (adunare, deplasare) operaţii de transfer de date între regiştri şi RAM instrucţiuni de flow control pentru a modifica ordinea de execuţie a instrucţiunilor program instrucţiuni de salt Copyright Paul GASNER 6

7 Instrucţiuni de manipulare date Corespund operaţiilor efectuate de ALU De exemplu o adunare operaţia operanzi Instrucţiune transfer regiştri: ADD R0, R1, R2 R0 R1 + R2 destinaţie sourse Alte instrucţiuni: NOT R0, R1 R0 R1 ADD R3, R3, #1 R3 R3 + 1 SUB R1, R2, #5 R1 R2-5 1 şi 5 sunt operanzi constanţi şi sunt precedaţi de hash # Copyright Paul GASNER 7

8 Încărcarea unui registru din RAM WR Write D data DA D address O instrucţiune load copie datele dintr-o locaţie RAM într-un registru: LD R1,(R3) R1 M[R3] parantezele arată că este vorba de o adresă stocată în registrul R3 AA Constant FS Register File A address B address FS V C N Z A data A MB B data S D1 D0 Q ALU F B BA +5V MW ADRS DATA CS WR RAM OUT Q D1 D0 S MD Copyright Paul GASNER 8

9 Încărcarea unui registru în RAM WR Write D data DA D address O instrucţiune store copie datele dintr-un registru într-o locaţie din RAM: ST (R3),R1 M[R3] R1 AA Constant FS FS Register File A address B address A data A MB B data S D1 D0 Q B BA +5V MW ADRS DATA CS WR RAM OUT V C N Z ALU F D0 Q D1 S MD Copyright Paul GASNER 9

10 Încărcarea unui registru cu o constantă WR Write D data DA D address LD R1, #0 R1 0 Register File ALU execută o operaţie transfer B (FS=10000), transferându-se o valoare constantă în stiva de regiştri Este o cale foarte simplă de iniţializare a regiştrilor AA Constant FS A address B address FS V C N Z A data A MB B data S D1 D0 Q ALU F B BA +5V MW ADRS DATA CS WR RAM OUT D0 Q D1 S MD Copyright Paul GASNER 10

11 Stocarea unei constante în RAM WR Write D data DA D address ST (R3),#0 M[R3] 0 Este o cale simplă de a iniţializa conţinutul RAM Register File AA A address B address BA A data B data Constant MB S D1 D0 Q RAM FS FS A B +5V MW ADRS DATA CS WR OUT V C N Z ALU F D0 Q D1 S MD Copyright Paul GASNER 11

12 Importanţa notaţiilor Simbolurile # şi () specifică moduri diferite de adresare Modul de adresare determină datele utilizate de operanzi: LD R0, #1000 // R LD R0, 1000 // R0 M[1000] LD R3, R0 LD R3, (R0) // R3 R0 // R3 M[R0] Designul core determină exact ce mod de adresare se utilizează Copyright Paul GASNER 12

13 Exemplu O simplă operaţie de transfer de regiştri: M[1000] M[1000] + 1 În limbaj de asamblare are echivalentul: LD R0, #1000 // R LD R3, (R0) // R3 M[1000] ADD R3, R3, #1 // R3 R3 + 1 ST (R0), R3 // M[1000] R3 Sunt necesare foarte multe operaţii în asamblare Copyright Paul GASNER 13

14 Instrucţiuni flow control Programele sunt constituite dintr-o mulţime de instrucţiuni secvenţiale, executate consecutiv Programele sunt stocate în memorie: fiecare instrucţiune program ocupă o singură locaţie de memorie instrucţiunile sunt stocate una după alta 768: LD R0, #1000 // R : LD R3, (R0) // R3 M[1000] 770: ADD R3, R3, #1 // R3 R : ST (R0), R3 // M[1000] R3 Program counter (PC) păstrează adresa instrucţiunii curente în mod normal, PC se incrementează după execuţia fiecărei instrucţiuni în mod excepţional acest comportament se schimbă prin instrucţiunile flow control Copyright Paul GASNER 14

15 Jump O instrucţiune jump modifică valoarea PC operandul specifică exact cum se schimbă PC pentru simplitate vom utiliza etichete în locul adreselor LD R1, #10 LD R2, #3 JMP L K LD R1, #20 // Aceste două instrucţiuni LD R2, #4 // nu sunt executate acum L ADD R3, R3, R2 ST (R1), R3 Jump poate fi utilizată pentru repetarea unor instrucţiuni: LD R1, #0 F ADD R1, R1, #1 JMP F // o buclă infinită Copyright Paul GASNER 15

16 Branch O instrucţiune branch modifică valoarea PC în funcţie de starea de adevăr a unei condiţii LD R1, #10 LD R2, #3 BZ R4, L // Jump to L dacă R4==0 K LD R1, #20 // Aceste două instrucţiuni LD R2, #4 // sunt executate sau nu L ADD R3, R3, R2 ST (R1), R3 // în funţie de R4 Copyright Paul GASNER 16

17 Branch Condiţiile pentru branch sunt de obicei rezultate ALU Aici intervin biţii de stare ai ALU: V, C, N şi Z. Cu ajutorul acestora se pot implementa o serie de instrucţiuni branch Condiţie Prescurtare ALU status bits Branch on overflow BV V = 1 Branch on no overflow BNV V = 0 Branch if carry set BC C = 1 Branch if carry clear BNC C = 0 Branch if negative BN N = 1 Branch if positive BNN N = 0 Branch if zero BZ Z = 1 Branch if non-zero BNZ Z = 0 Alte condiţii branch (de exemplu condiţii de mai mare, egal sau mai mic) sunt derivate din acestea Copyright Paul GASNER 17

18 if-then Un set de instrucţiuni în C se traduce în asamblor în felul următor R1 = *X; if (R1 < 0) R1 = -R1; R3 = R1 + R1; LD R1, (X) // R1 = *X BNN R1, L // Skip MUL if R1 este pozitiv MUL R1, R1, #-1 // R1 = -R1 L ADD R3, R1, R1 // R3 = R1 + R1 Uneori este mai simplu şi mai rapid să se inverseze condiţiile: R1<0 înlocuit cu R1>=0 Copyright Paul GASNER 18

19 loop... sau pentru o buclă, utilizând o funcţie ipotetică BGT R1 = 0; for (R2 = 1; R2 <= 5; R2++) R1 = R1 + R2; R3 = R1 + R1; LD R1, #0 // R1 = 0 LD R2, #1 // R2 = 1 FOR BGT R2, #5, L // Stop when R2 > 5 ADD R1, R1, R2 // R1 = R1 + R2 ADD R2, R2, #1 // R2++ JMP FOR // Go back to the loop test L ADD R3, R1, R1 // R3 = R1 + R1 Copyright Paul GASNER 19

20 CPU Program Control Unit Semnale Control Semnale Status Core Unitatea de control conectează programul la ALU converteşte instrucţiunile program în cuvinte comenzi pentru core, prin semnalele WR, DA, AA, BA, MB, FS, MW, MD execută instrucţiunile program în ordinea corespunzătoare generează intrarea constant pentru ALU Core trimite informaţii unităţii de control, de obicei pe biţii status V, C, N şi Z, care sunt verificaţi prin instrucţiunile branch de exemplu Copyright Paul GASNER 20

21 Limbaj maşină Limbajul maşină este expresia binară a instrucţiunilor limbajului de asamblare, specifice CPU Sunt 3 tipuri de instrucţiuni, deci 3 reprezentări binare: instrucţiuni format registru doi operazi din regiştri instrucţiuni format constantă un operand din regiştri şi celălalt este constant instrucţiuni format jump şi branch o sursă registru şi o adresă din constant E preferabilă o reprezentare cât mai asemănătoare pentru toate tipurile de formate (chiar dacă sunt diferite): implementarea hard a unităţii de control este mai simplă vom încerca implementarea instrucţiunilor pe 16 biţi Copyright Paul GASNER 21

22 Format registru Cod operaţie (Opcod) Registru Destinaţie (DR) Sursă Registru A (SA) Sursă Registru B (SB) De exemplu ADD R1, R2, R3 O instrucţiune format registru cuprinde: câmpul opcod pe 7 biţi care specifică operaţia câmpul pe 3 biţi registru destinaţie DR două câmpuri pe 3 biţi SA şi SB pentru selectarea regiştrilor sursă A şi B Copyright Paul GASNER 22

23 Format constantă Cod operaţie (Opcod) Registru Destinaţie (DR) Sursă Registru A (SA) Operand (OP) De exemplu ADD R1, R2, #3 O instrucţiune format constantă cuprinde: 7 biţi codoperaţie 3 biţi registru destinaţie DR 3 biţi sursă registru A SA 3 biţi operand constantă OP Copyright Paul GASNER 23

24 Format jump şi branch Cod operaţie (Opcod) Adresa bit 5-3 (AD) Sursă Registru A (SA) Adresa bit 0-2 (AD) De exemplu BZ R3, -24 JMP 18 O instrucţiune format registru cuprinde: 7 biţi codoperaţie 3 biţi sursă registru A SA (aceeaşi poziţie în toate formatele) 6 biţi câmp adresă AD pentru stocarea adresei specificate de jump sau branch număr cu semn pe 6 biţi, deci se poate sări peste 2 5-1=31 adrese înapoi sau 2 5 =32 înainte Copyright Paul GASNER 24

25 Formatul instrucţiunilor Cod operaţie (Opcod) Registru Destinaţie (DR) Sursă Registru A (SA) Sursă Registru B (SB) Cod operaţie (Opcod) Registru Destinaţie (DR) Sursă Registru A (SA) Operand (OP) Cod operaţie (Opcod) Adresa bit 5-3 (AD) Sursă Registru A (SA) Adresa bit 0-2 (AD) DR, SA şi SB sunt câmpuri 3 bits, deci se pot accesa maximum 8 regiştri Suport pentru mai mulţi regiştri sau numere mai mari implică mărirea lungimii în biţi a instrucţiunilor maşină Copyright Paul GASNER 25

26 Criterii: Organizarea instrucţiunilor instrucţiuni similare au câmpuri opcod similare după semnalele de control, instrucţiunile se pot grupa în 8 categorii distincte Tip instrucţiuni Operaţie Format Registru ALU Operaţie Deplasare Format Registru Scriere Memorie (din regiştri) Citire Memorie (în regiştri) Operaţie ALU cu constantă Operaţie deplasare constantă Branch Condiţional Jump Copyright Paul GASNER 26

27 Operaţii ALU format registru ADD R1, R2, R3 Toate operaţiile format registru trebuie să aibă semnalele de control: MB = 0, toţi operanzii provin din setul de regiştri MD = 0 şi WR = 1, pentru a salva rezultatul ALU înapoi în regiştri MW = 0 deoarece RAM nu se modifică DA AA constant FS V C N Z D Register file A B 1 0 Mux B A B ALU G BA MB 0 MW 0 ADRS DATA Data RAM OUT 0 1 Mux D MD 0 Copyright Paul GASNER 27

28 Operaţii ALU format registru ST (R0), R1 Toate operaţiile format registru trebuie să aibă semnalele de control: MB = 0, toţi operanzii provin din setul de regiştri MD = X şi WR = 0, deoarece nici un registru nu se modifică MW = 1 pentru a scrie în RAM DA AA constant FS V C N Z D Register file A B 1 0 Mux B A B ALU G BA MB 0 MW 1 ADRS DATA Data RAM OUT 0 1 Mux D MD X Copyright Paul GASNER 28

29 Selecţie cod operaţie Instrucţiunile din aceeaşi categorie au primii trei biţi din câmpul opcod (biţii ai instrucţiunii) Opcod Tip instrucţiuni bit 15 bit 14 bit 13 Operaţie Format Registru ALU Operaţie Deplasare Format Registru Scriere Memorie (din regiştri) Citire Memorie (în regiştri) Operaţie ALU cu constantă Operaţie deplasare constantă Branch Condiţional Jump Copyright Paul GASNER 29

30 Instrucţiuni ALU şi de deplasare Biţii 12-9 din opcod sunt ocupaţi cu cei 4 biţi ai funcţiei de selecţie FS din ALU De exemplu, o instrucţiune XOR (pentru regiştri) va avea codul primii 3 biţi indică o instrucţiune format regiştri pentru ALU ultimii 4 biţi indică operaţia XOR indică: 101 instrucţiune format constantă 1000 deplasare spre stânga cu un bit FS Operaţie F = A F = A F = A + B F = A + B F = A + B F = A + B F = A F = A F = A B (AND) F = A B (OR) F = A B F = A F = B F = sr B (shift right) F = sl B (shift left) Copyright Paul GASNER 30

31 Instrucţiuni branch Avem 8 condiţii diferite, deci sunt necesari 3 bits Biţii 11-9 din opcod sunt ocupaţi cu cei 3 biţi care indică tipul de branch De exemplu, instrucţiuna branch if zero va avea codul 110x011 primii 3 biţi pentru instrucţiunea tip branch ultimii 3 biţi pentru if zero Condiţie BC If carry set 000 If negative 001 If overflow 010 If zero 011 If carry clear 100 If positive 101 If no overflow 110 If non-zero 111 Copyright Paul GASNER 31

32 Exemple cod operaţie Câteva exemple de instrucţiuni şi câmpul opcod corespunzător în codul binar al instrucţiunii: Instrucţiune Opcod bits (15-13) Opcod bits (12-9) LD R1, (R0) 011 (load) xxxx (unused) BZ R1, (branch) x011 (branch on zero) SUB R5, R5, #1 100 (immediate arithmetic) 0100 (subtract) ADD R1, R0, R5 000 (register arithmetic) 0010 (add) JMP (jump) xxxx (unused) Unele coduri au biţi neutilizaţi: 8 instrucţiuni branch, deci 3 biţi utilizaţi un singur tip de jump Codurile neutilizate pot fi folosite la extinderea ulterioară a setului de instrucţiuni Copyright Paul GASNER 32

33 Exemple instrucţiuni Câteva exemple de instrucţiuni complete: Instrucţiune LD R1, (R0) BZ R1, +4 SUB R5, R5, #1 ADD R1, R0, R5 JMP 3 Bits 15-9 (Opcode) Bits 8-6 Bits 5-3 Bits xxxx Format xxx Constantă 110x Jump/branch Constantă Registru 111xxxx 111 xxx 101 Jump/branch Copyright Paul GASNER 33

34 ISA. Concluzii Un program trebuie tradus în cod maşină pentru a putea fi executat Există o corespondenţă biunivocă între limbajul de asamblare şi limbajul maşină (binar) Există trei tipuri de instrucţiuni: manipularea datelor (operaţii ALU) operaţii cu regiştri şi cu RAM instrucţiuni de salt control flow Alegerea codurilor binare pentru instrucţiuni se face astfel încât la instrucţiuni similare să corespundă coduri similare Copyright Paul GASNER 34

Structura și Organizarea Calculatoarelor. Titular: BĂRBULESCU Lucian-Florentin

Structura și Organizarea Calculatoarelor Titular: BĂRBULESCU Lucian-Florentin Chapter 3 ADUNAREA ȘI SCĂDEREA NUMERELOR BINARE CU SEMN CONȚINUT Adunarea FXP în cod direct Sumator FXP în cod direct Scăderea