Organización Básica de un Computador y Lenguaje de Máquinaalumnos.inf.utfsm.cl/~raraya/arq/material/Capitulo_6.pdfLenguaje de M´aquina Memorias En un computador existen diversos

ContenidoIntroduccion

MemoriasLenguaje de Maquina

Organizacion Basica de un Computador yLenguaje de Maquina

Prof. Rodrigo Araya [email protected]

Universidad Tecnica Federico Santa MarıaDepartamento de Informatica

Valparaıso, 1er Semestre 2006

RAE Organizacion Basica de un Computador y Lenguaje de Maquina



1 Introduccion

2 Memorias

3 Lenguaje de Maquina




Introduccion

La funcion principal de un procesador es cumplir ordenes.

Estas ordenes son entregadas en un lenguaje especial paracada procesador: Lenguaje de maquina.

Las palabras del lenguaje de maquina se denominaninstrucciones, y el vocabulario conjunto de instrucciones.

En este capıtulo nos centraremos en la estructura delcomputador, y en el conjunto de instrucciones.




Estructura de un computador

Un computador digital tiene 3 bloques principales:

El ProcesadorEl Sistema de MemoriaEl Sistema de Entrada y Salida

Diagrama basico de un CPU




Estructura de un computador

Diagrama de bloques de un AMD64:




Memorias

En un computador existen diversos tipos de memoria (tiempode acceso, costo, tamano).

Estas memorias son jerarquicas:

A medida que se desciende de la piramide, aumenta la latencia,aumenta el tamano, y disminuye el costo de las memorias.




Memorias

Registros: Memoria utilizada directamente por elprocesador.

Memoria Cache: Memoria intermedia, ubicada muy cercade la unidad de procesamiento.

Memoria Principal: Memoria de acceso aleatorio (RAM).Memoria Externa: Memoria de almacenamiento masivo no volatil

(Disco Duro, Medios opticos, cintas, etc.).

Los Registros, Cache y Memoria Principal son consideradosmemorias internas.

Estrategia

Organizar datos y programas en memoria de manera que laspalabras de memoria siempre esten en la memoria mas rapida.




Memorias

Unidad de Transferencia

Otro aspecto importante en las memorias es la Unidad deTransferencia. Esta unidad corresponde a la cantidad de bits quese transfieren desde/hacia el dispositivo de memoria.

Palabra: Es la unidad “natural” de memoria. En unaarquitectura limpia, el tamano de una palabracorresponde, al numero de bits utilizado pararepresentar numeros en un registro, y a la longitud deuna instruccion.




Memorias

Unidad de Transferencia

En Memoria Cache a menudo es igual a la longitud de unapalabra.

En Memoria Principal es igual al numero de bits que se leen oescriben. Generalmente no coincide con el tamano de unapalabra (tıpicamente 8 bits).

En Memoria Externa los datos se transfieren en unidades masgrandes que una palabra.




Memorias

Para cargar un dato de memoria principal en el procesador, esnecesario pasar por la memoria intermedia, Cache.




Memorias

Memoria Cache

Es altamente probable que futuros accesos del procesador amemoria principal, sean a posiciones accedidas recientemente.

Se retienen algunos de los bloques de la Memoria Principal enla Memoria Cache.

El manejo de la memoria cache esta implementado en HW yes de forma automatica.




Memorias

La memoria de cache cuenta ademas con un espacio paraalmacenar una etiqueta que tiene referencia al bloque dememoria principal que se cargo.




Memorias

La memoria principal es bastante mas grande, y tiene untamano limitado por el direccionamiento.

Se pueden direccionar 2n − 1 “lineas” de memoria principal.




Lenguaje de Maquina

Para el estudio de arquitectura consideraremos la maquinaMIPS (R3000 y R4000).

MIPS R3000, R4000

Procesador de 32 bits

Tecnologıa RISC.

Su diseno es bastante “limpio” y general, para entender ellenguaje de maquina.




Lenguaje de Maquina

Lenguaje de Maquina

El Lenguaje de Maquina se escribe utilizando instrucciones.

Existen diversas instrucciones para un procesador, las quepermiten realizar:

Operaciones logicas y aritmeticas.Lectura/Escritura y corrimiento de datos.Saltos y Bifurcaciones.Etc...




Instrucciones

A diferencia de los lenguajes de alto nivel, los operandos delas instrucciones no pueden ser variables.

Para los operandos se utilizan registros.

Todos los registros en MIPS, tienen 32 bits.

El grupo de 32 bits se denomina palabra.

El archivo de registros de MIPS tiene 32 registros.




Instrucciones

Registros temporales para variables

Por el momento definiremos los registros que se utilizan comooperandos en las instrucciones:

Por convencion utilizaremos:

Para variables que deben ser preservadas a traves de llamadas:

$s0, $s1, $s2, . . . , $s7

Para variables que no necesitan ser preservadas a traves dellamadas:

$t0, $t1, $t2, . . . , $t9




Instrucciones Aritmeticas

En todo computador se deben realizar operacionesaritmeticas, tanto para operar sobre datos, como paradireccionar memoria, realizar bifurcaciones, etc..

Suma y Resta

La suma y la resta en MIPS, se realizan de la siguientemanera:

add a,b,c #a← b + csub a,b,c #a← b − c

Todas las instrucciones aritmeticas tienen 3 operandos.





Ejemplo mas “complicado”

En C

a=b+cd=a-ef=(g+h)-(d+a)

En Lenguaje de maquina:

→ add a,b,c→ sub d,a,e→ ¿...?





Solucion

Se tienef = (g + h)− (d + a)

Se asume:g →$s1h→$s2d →$s3a→$s4f →$s5

Se Luego:

add $t0, $s1, $s2 #$t0← g + hadd $t1, $s3, $s4 #$t1← d + asub $s5, $t0, $t1 #$f ← (g + h)− (d + a)




Arreglos de Memoria

Los lenguajes de programacion, ademas de manejar variablessimples, son capaces de manejar estructuras mas complejas.

Estructuras de datos como los arreglos, son mantenidos enmemoria principal.

Existen instrucciones que permiten cargar o guardar palabrasdesde la memoria principal a registros del procesador (o viceversa).




Arreglos de Memoria

La memoria principal esta organizada en bytes. Esto significaque cada direccion apunta hacia un byte.

Como el procesador MIPS tiene registros de 32 bits (unapalabra), se pueden cargar 4 bytes.

Existen 2 organizaciones distintas de ubicar bytes en palabras:

Little Endian.Big Endian.




Arreglos de Memoria

Little Endian y Big Endian

El tipo de organizacion de la memoria depende exclusivamentede la arquitectura que se utilice.




Arreglos de Memoria

Little Endian y Big Endian

Ambas organizaciones son ampliamente utilizadas, ya que ambastienen sus propias ventajas.

Ejemplos de Little Endian:VAXIntelDEC Risc

Ejemplos de Big Endian:MIPSSPARCIBM 360




Arreglos de Memoria

Para cargar una palabra de memoria principal, a un registrodel procesador, se utiliza la instruccion lw.

Al cargar una palabra, se guardaran 32 bits en el registrocorrespondiente, lo que se traduce a 4 bytes de memoriaprincipal.

Por ejemplo para cargar el valor A[8] en un registro

El valor 8 corresponde al numero de elemento del arreglo.El arreglo A comienza en una direccion de memoria.

Direccion del valor a cargar = direccion de A + 4 ∗ 8




Arreglos de Memoria

Registro Base y offset

En general, para acceder a una posicion de un arreglo dememoria, se debe sumar una constante a una direccion dememoria.

Esta constante corresponde a un offset.

Y la direccion de memoria se denomina registro base.

lw $s1, offset(direccion de registro)




Arreglos de Memoria

¿Como obtener el valor, si el ındice es una variable?

g = h + A[i ]

No existe una instruccion que tome el offset desde unavariable.

Ejemplo de Arreglo con una variable como ındice

Cual es el codigo assembly para g = h + A[i ]

Se asume que:registro base de A → $s3

g → $s1h → $s2i → $s4




Arreglos de Memoria

Antes de resolver...

Para cargar cualquier palabra de memoria, se necesita sudireccion.

Como los arreglos de memoria se encuentran almacenados enmemoria contigua, es facil calcular la direccion a la cual sedebe acceder, teniendo como referencia el registro base.

Antes de sumar el ındice i a la base del arreglo para obtenersu direccion, es necesario multiplicar el ındice por 4, debido ala forma de direccionar bytes.

La multiplicacion se puede generar:

i + i = 2i , 2i + 2i = 4i




Arreglos de Memoria

Solucion del Ejemplo

Primero se debe calcular 4iadd $t1, $s4, $s4 # $t1← 2 ∗ iadd $t1, $t1, $t1 # $t1← 4 ∗ i

Luego para obtener la direccion de A[i ], necesitamos sumar$t1 con la base de A, que esta en $s3add $t1, $t1, $s3 # $t1← direccion de A[i ]

Con esta direccion se puede cargar A[i ] en un registrotemporal.lw $t0, 0($t1) # $t0← A[i ]

Y finalmente el resultadoadd $s1, $s2, $t0 # g ← h + A[i ]




Instrucciones

Formatos de Instruccion

En MIPS, todas las instrucciones son de 32 bits.

Existen 3 diferentes formatos de instruccion:

Tipo RTipo ITipo J




Instrucciones Tipo R

Las instrucciones tipo R son de la siguiente forma:

En la figura se muestra como ejemplo la instruccion:add $t0, $s1, $s2




Instrucciones Tipo R

Instruccion tipo R

op: codigo de operacion.

rs: primer operando fuente.

rt: segundo operando fuente.

rd: registro destino.

shamt: shift amount (se usa para instrucciones dedesplazamiento).

op: selecciona una variacion especıfica del codigo deoperacion.




Instrucciones Tipo I

Las instrucciones tipo I son de la siguiente forma:

En la figura se muestra como ejemplo la instruccion:lw $s2, 32($s1)

En este caso, el campo rt se utiliza para la direccion delregistro en que se cargara la palabra.




Instrucciones Tipo I

Tambien existe una instruccion para guardar registros enmemoria principal.

La instruccion save word (sw) funciona de la siguientemanera:sw $s2, 32($s1) # $s2← memoria[32 + $s1]




Instrucciones

Es un buen principio de diseno tomar compromisos deregularidad de formatos y tamano del codigo de operacion.




Pseudo Instrucciones

Muchas instrucciones Assembly no existen en el Lenguaje deMaquina, pero pueden ser generadas con otras instrucciones

Un ejemplo es la instruccion move que permite copiar unregistro en otro. Esta instruccion no existe en la maquinaMIPS.move $s1, $s2 # $s1← $s2

El Assembler MIPS genera:add $s1, $0, $s2 # $s1← $s2 + 0




Fin...

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