Parte 3

Anotações da 2a Edição
OBS: Essas anotações são adaptações do material
suplementar (apresentações PPT) ao Livro do
Hennessy e Patterson. Supõe-se que os estudantes
tenham noções de lógica digital e linguagem
assembly para o entendimento das aulas.
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Parte 3
Baseado no Capítulo 2 – Computer Organization and
Design – The Hardware and Software Interface, 4ª Ed.
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Seja o programa em C
// none of these allocate any storage
#define MAX_SIZE 256
#define IF(a)
if (a) {
#define ENDIF
}
typedef struct {
unsigned char red;
// 'unsigned char' is an unsigned, 8-bit int
unsigned char green;
unsigned char blue;
unsigned char alpha;
} RGBa;
// these allocate storage
int
i;
int
N = 20;
char
prompt[] = "Enter an integer:";
int
A[MAX_SIZE];
int*
pBArray;
int
BSize;
RGBa
background = {0xff, 0xff, 0xff, 0x0};
Fonte: http://www.cs.washington.edu/education/courses/cse378/03wi/lectures/mips-asm-examples.html
3
Layout da memória
4
Instruções
•
Instruções: palavras / vocabulário: conjunto de instruções
•
Programa armazenado: Dados e instruções de vários tipos podem ser
armazenados como números (binários) na memória
•
Instruções estão em Linguagem de Máquina (assembly)
– Muito Mais primitiva que linguagem de alto-nível
=> não há controles de fluxo sofisticados (for, while, etc...)
– Muito restritivas
=> Instruções aritméticas do MIPS (visto mais adiante)
•
Nós iremos trabalhar com o MIPS Instruction Set Architecture (ISA)
– Similar a outras arquiteturas desenvolvidas desde os 1980's
– Usada pela NEC, Nintendo, Silicon Graphics, Sony
– Foco nos princípios e não em detalhes específicos de ISA’s
Objetivo: maximizar desempenho e minimizar custo, reduzir tempo de design!
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Compilando códigos C em MIPS (1)
compilador C
a = b + c;
d = a – e;
add a, b, c
sub d, a, e
f = (g+h) – (i+j);
add $t0, g, h
add $t1, i, j
sub f, $t0, $t1
1.
2.
3.
4.
Compilador gera a(s) instrução(ões) correspondentes – assembly
Formato bastante rígido: add <soma, parcela, parcela>
Operandos em registradores
Registradores temporários
6
Compilando códigos C em MIPS (2)
•
•
•
Registradores armazenam variáveis do programa
Associação variável ↔ registrador feita pelo compilador
E se as variáveis f, g, h, i, j forem associadas aos
registradores $s0, $s1, $s2, $s3, $s4 como ficaria o código?
compilador C
f = (g+h) – (i+j);
1.
2.
3.
add $t0, $s1, $s2
add $t1, $s3, $s4
sub $s0, $t1, $t0
Registradores de tamanho de 1 palavra: 32 bits
Número limitado: 32 (numerados de 0 a 31 – 5 bits)
Registradores temporários
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Compilando códigos C em MIPS (3)
•
Instruções de transferência de dados Memória ↔ registrador (CPU)
– Para acessar um dado, é necessário um endereço
•
Dois movimentos básicos: load (traz da ...) e store (leva para a memória)
•
•
No MIPS, acesso somente a blocos (palavras) de 32 bits (4 bytes)
Estruturas mais complexas tipo vetores e matrizes?
– Endereço de base e deslocamento
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Compilando códigos C em MIPS (4)
•
Seja A um vetor de 100 palavras e as variáveis g e h associadas aos
registradores $s1 e $s2 como antes. O endereço de base de A está
armazenado no registrador $s3
compilador C
g = h + A[8];
Problema: Como encontrar valor
armazenado em A[8]?
lw $t0, 32($s3)
add $s1, $s2, $t0
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Compilando códigos C em MIPS (5)
•
Seja A um vetor de 100 palavras e a variável h associada ao
registrador $s2. O endereço de base de A está armazenado no
registrador $s3
compilador C
A[12] = h + A[8];
lw $t0, 32($s3)
add $t0, $s2, $t0
sw
1.
2.
3.
$t0, 48($s3)
Uso do registrador temporário para armazenar resultado parcial
Acesso aos elementos do vetor: base e offset
A ordem dos operandos não é alterada para lw e sw
10
Compilando códigos C em MIPS (6)
•
•
Operandos constantes e imediatos: muito frequentes...
Seja a uma variável (contador de um programa, por ex) associada ao
registrador $s1.
compilador C
a = a + 1;
Outra opção?
addi
$s1, $s1, 1
lw $t0, EndConst_1
add $s1, $s1, $t0
Por que é pior?
Frequência de uso desse tipo de instrução?
– Fazer os casos comuns serem rápidos!
Faz sentido ter uma instrução do tipo subi
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Alternativas para o Conjunto de Instruções
Queremos executar:
c = a + b
12
Impactos para o ISA
•
Muitas formas de endereçamento levam a tamanhos variados de
instrução:
– Flexibilidade para codificação
– Complexidade para decodificação
– Densidade das instruções (no. de bits)
– No. de acessos à memória
– Quantidade de “trabalho” por instrução
– Operandos podem estar na própria instrução
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Características associadas a um Conj. Inst.
1. Como interpretar os bits da memória:
– Little ou big endian
– Acesso a palavras ou a bytes
2. Endereçamento de operandos
3. Tipos de operações suportadas
4. Tamanhos e tipos de operandos
Como definir um conjunto de instruções “ideal” para uma arquitetura?
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Até agora, para o ISA do MIPS...
15
Algumas reflexões sobre a escolha do conjunto de
instruções para uma arquitetura...
16
Sobre os modos de endereçamento
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Exemplos de modos de endereçamento (1)
18
Exemplos de modos de endereçamento (2)
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Com que frequência uso cada modo?
- SPEC89 sobre o VAX (um pouco antigo, mas muito ilustrativo...)
- Vários outros exemplos comparativos na referência básica
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Distância (em bits) dos deslocamentos
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Uso dos operandos imediatos
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Tamanho dos operandos imediatos
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Tipos/Tamanhos de operandos
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Voltando à pergunta inicial
Como definir um conjunto de instruções “ideal” para uma arquitetura?
Balanceamento das seguintes características “desejáveis”:
1. Ter mais registradores e modos de endereçamento que possível
2. Avaliar o impacto do tamanho dos registradores e modos de
endereçamento no tamanho médio das instruções e do programa
3. Ter instruções codificadas em formatos que facilitem a sua
manipulação pelo hardware de controle da CPU (tamanhos fixos ou
múltiplos bytes)
•
Soluções MIPS => ver Capítulo 2.
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Possibilidades de Operadores no Conj. Inst.
26
Instruções mais usadas
27
Números de Operandos em ISAs
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