Arquitetura do conjunto de instruções – ISA (Instruction Set Architecture)

Arquitetura do Conjunto de InstruçõesInstruction Set Architecture (ISA)

Conjunto de instruções

software

hardware

Computador de von Neumann

- instruções e dados na mesma memória

- as instruções são lidas da memória e executadas na unidade de processamento, uma a uma

- as instruções são armazenadas na mesma seqüência da execução

- a unidade de controle é responsável pelo controle da leitura e execução das instruções

Arquitetura do Conjunto de InstruçõesInstruction Set Architecture (ISA)

O que vem a ser um conjunto de instruções?

• a fronteira entre o hardware e o software• cada instrução é diretamente executada pelo hardware

Como é representado?

• por um formato binário pois o hardware só entende bits• os entes físicos são bits, bytes, words, n-words

• tamanho de palavra (word) é tipicamente 32 ou 64 bits hoje em dia, mas pequenos tamanhos são encontrados em processadores embarcados e processadores DSPs

• opções – formatos de comprimentos fixos e variáveis • Fixos – cada instrução codificado num campo de mesmo tamanho (tipicamente uma palavra)• Variáveis – meia palavra, palavra, múltiplas palavras

Abstração

• Descendo no nível de abstrações revelam-se outras informações

swap(int v[], int k){int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;}

swap: muli $2, $5,4 add $2, $4,$2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31

00000000101000010000000000011000000000001000111000011000001000011000110001100010000000000000000010001100111100100000000000000100101011001111001000000000000000001010110001100010000000000000010000000011111000000000000000001000

Binary machinelanguageprogram(for MIPS)

C compiler

Assembler

Assemblylanguageprogram(for MIPS)

High-levellanguageprogram(in C)

Exemplo ampliadoswap(int v[], int k);

{ int temp;

temp = v[k]

v[k] = v[k+1];

v[k+1] = temp;}

swap:

muli $2, $5, 4

add $2, $4, $2

lw $15, 0($2)

lw $16, 4($2)

sw $16, 0($2)

sw $15, 4($2)

jr $31

Características das instruçõesUsualmente uma operação simples• Identificada pelo campo de op-code

Mas operações requerem operandos – 0, 1 ou 2• Para identificar onde eles estão, eles devem ser endereçados

• Endereço é para uma parte do armazenamento • Possibilidades típicas de armazenamento são memória principal, registradores ou pilha

2 opções: endereçamento explícito ou implícito• Implícito – o código de operação (op-code) implica no endereço dos operandos

• ADD numa máquina a pilha – retira (pop) 2 elementos do topo da pilha, e coloca (push) o resultado• Explícito – o endereço é especificado em algum campo da instrução

• notar o potencial para 3 endereços – 2 operandos + 1 destino• quais são as vantagens do endereçametno de registradores vs memória

Que operações são necessáriasAritmética + lógica

• ADD, SUB, MULT, DIV, SHIFT – lógico e aritmético, AND, OR, XOR, NOT

Transferência de dados – copy, load, store

Controle – branch, jump, call, return, trap

Sistema – gerenciamento de memória e SO

Ponto Flutuante• Mesmo que as aritméticas porém usam operandos maiores

ecimal – se fosse operar em decimal

String – move, compare, search

Manipulação de campos de bits

Arquitetura do Conjunto de Instruções do MIPS:

• Iremos trabalhar com a arquitetura do conjunto de instruções MIPS, projetado na Universidade de Stanford pela equipe do

Prof. John Hennessy.

– similar a outras arquiteturas desenvolvidas desde 1980

– Princípio da regularidade, p.ex.: todas as instruções de 32 bits

– Princípio da simplicidade, p.ex.: instruções simples, somente 3 formatos de instruções

– Usado por NEC, Nintendo, Silicon Graphics, Sony

Aritmética MIPS • Todas as instruções tem 3 operandos• A ordem dos operandos é fixa (primeiro o operando

destino)

Exemplo:

C code: A = B + C

MIPS code: add $s0, $s1, $s2

(associado às variáveis pelo compilador)

Aritmética MIPS

• Princípio: simplicidade favorece regularidade.

C code: A = B + C + D;E = F - A;

MIPS code:add $t0, $s1, $s2add $s0, $t0, $s3sub $s4, $s5, $s0

• Os operandos devem ser registradores• Somente 32 registradores disponíveis no MIPS

Registradores vs. Memória

Processor I/O

Control

Datapath

Memory

Input

Output

• Os operandos de instruções arithméticas devem ser registradores,

— somente 32 registradores disponíveis• O compilador associa variáveis a registradores

• E programas com um número grande de variáveis?

Organização de Memória• Vista como um grande vetor unidimensional, com

endereços.• Um endereço de memória é um índice para o vetor

• "Byte addressing" significa que o índice aponta para um

byte de memória.0

1

2

3

4

5

6

...

8 bits of data

8 bits of data

8 bits of data

8 bits of data

8 bits of data

8 bits of data

8 bits of data

Organização de Memória

• A maioria dos dados usam palavras ou "words"• Para MIPS, um word é constituído de 32 bits ou 4 bytes.

• 232 bytes têm endereços de 0 a 232-1• 230 words têm endereços de bytes 0, 4, 8, ... 232-4• Words são alinhados:

O que significam os dois bits menos significativos de um endereço de word?

0

4

8

12

...

32 bits of data

32 bits of data

32 bits of data

32 bits of data

Os registradores carregam dados de

32 bits

Instruções de referência à memória

• Instruções Load-Word e Store-Word• Exemplo:

C code: A[8] = h + A[8];

MIPS code: lw $t0, 32($s3)add $t0, $s2, $t0sw $t0, 32($s3)

• Store-Word tem destino por último• Lembrar que os operandos aritméticos são de

registradores, não de memória!

Nosso Primeiro Exemploswap(int v[], int k);

{ int temp;

temp = v[k]

v[k] = v[k+1];

v[k+1] = temp;}

swap:

muli $2, $5, 4

add $2, $4, $2

lw $15, 0($2)

lw $16, 4($2)

sw $16, 0($2)

sw $15, 4($2)

jr $31

O que vimos:• MIPS

— carrega words mas endereça bytes— aritmética somente usando registradores

• Instrução Significado

add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 – $s3lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1, 100($s2) Memory[$s2+100] = $s1

• Instruções, como registradores e words, tem também 32 bits

– Exemplo: add $t0, $s1, $s2– registradores tem numerações, $t0=9, $s1=17, $s2=18

• Formato de Instruções aritméticas - tipo-R (registradores):

op rs rt rd shamt funct

000000 10001 10010 01001 00000 100000

Linguagem de Máquina

• Considerar as instruções load-word e store-word,• Introduz um novo tipo de formato de instrução

– tipo-I para instruções de transferência de dados– outro formato é o tipo-R para registradores

• Exemplo: lw $t0, 32($s2)

•Formato das instruções tipo-I

op rs rt 16 bit number

35 18 9 32

Linguagem de Máquina

• Instruções são conjunto de bits• Os programas são armazenados na memória

—para serem lidos e executados• Se as instruções estão na mesma memória como os dados, elas

podem também serem lidas e escritas como se fossem dados.

• Ciclos de Fetch & Execute – Instruções são lidas (fetched) e colocadas num registrador

especial– Os bits no registrador "controlam" as ações subsequentes– Busca (Fetch) a próxima instrução e continua

Processor Memorymemory for data, programs,

compilers, editors, etc.

Conceito de Programa Armazenado na memória (von Neumann)

• Instruções de tomadas de decisão– altera o fluxo de controle,– i.e., muda a próxima instrução a ser executada

• Instruções de desvio condicional do MIPS:

bne $t0, $t1, Label beq $t0, $t1, Label

• Exemplo: if (i==j) h = i + j;

bne $s0, $s1, Labeladd $s3, $s0, $s1

Label: ....

Instruções de Controle

• Instruções de salto incondicional do MIPS:j label

• Exemplo:

if (i!=j) beq $s4, $s5, Lab1 h=i+j; add $s3, $s4, $s5else j Lab2 h=i-j; Lab1: sub $s3, $s4, $s5

Lab2: ...

Instruções de Controle

Revisão:• Instrução Significado

add $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 + $s3sub $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 – $s3lw $s1,100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1,100($s2) Memory[$s2+100] = $s1bne $s4,$s5,L Next instr. is at Label if $s4 = $s5beq $s4,$s5,L Next instr. is at Label if $s4 = $s5j Label Next instr. is at Label

• Formatos:

op rs rt rd shamt funct

op rs rt 16 bit address

op 26 bit address

R

I

J

• Temos: beq, bne, que tal Branch-if-less-than?• Nova instrução:

if $s1 < $s2 then $t0 = 1

slt $t0, $s1, $s2 else $t0 = 0

• Pode-se usar essa instrução para "blt $s1, $s2, Label"

— pode agora construir estruturas de controle geral

• Note que o assembler precisa de um registrador para tal,— existe uma regra para o uso de registradores

Fluxo de Controle

Regra para o uso de registradores

Name Register number Usage$zero 0 the constant value 0$v0-$v1 2-3 values for results and expression evaluation$a0-$a3 4-7 arguments$t0-$t7 8-15 temporaries$s0-$s7 16-23 saved$t8-$t9 24-25 more temporaries$gp 28 global pointer$sp 29 stack pointer$fp 30 frame pointer$ra 31 return address

• Constantes pequenas são usadas frequentemente (50% dos operandos)

p.ex., A = A + 5;B = B + 1;C = C - 18;

• Soluções? – Colocar as constantes típicas nas instruções– criar registradores hardwired (como $zero) para

constantes como um.

• Instruções MIPS:

addi $29, $29, 4slti $8, $18, 10andi $29, $29, 6ori $29, $29, 4

Constantes

• Gostariamos de carregar constantes de 32 bits em um registrador

• Devemos usar duas instruções, a instrução "load upper immediate"

lui $t0, 1010101010101010

• Então devemos carregar os bits menos significativos à direita, i.e.,

ori $t0, $t0, 10101010101010101010101010101010 0000000000000000

0000000000000000 1010101010101010

1010101010101010 1010101010101010

ori

1010101010101010 0000000000000000

Preenchido com zeros

E as constantes maiores?

• Assembly provê uma representação simbólica conveniente– Mais fácil que escrever números– P.ex., o operando destino é o primeiro

• A linguagem de máquina é a realidade num nível inferior– P.ex., destino não é o primeiro

• Assembly pode prover 'pseudoinstruções'– P.ex., “move $t0, $t1” existe somente em Assembly – Seria implementada usando “add $t0,$t1,$zero”

• Quando o assunto é o desempenho devem ser consideradas as instruções reais

Ling. Assembly vs. Ling. de Máquina

• Instruções simples todas de 32 bits• Bem estruturadas• Somente três formatos de instruções

• Confiar no compilador para obter desempenho— quais são os objetivos do compilador?

• Ajudar o compilador onde é possível

op rs rt rd shamt funct

op rs rt 16 bit address

op 26 bit address

R

I

J

Visão geral do MIPS

• Instruções:bne $t4,$t5,Label A próxima instrução é no Label se $t4 <>$t5

beq $t4,$t5,Label A próxima instrução é no Label se $t4 = $t5

j Label A próxima instrução é no Label

• Formatos:

• Endereços não são de 32 bits — Como manipulá-los com instruções de load e store?

op rs rt 16 bit address

op 26 bit address

I

J

Endereços em Branchs e Jumps

• Instruçõesbne $t4,$t5,Label A próxima instrução é no Label se $t4<>$t5beq $t4,$t5,Label A próxima instrução é no Label se $t4=$t5

• Formatos:

• Pode especificar um registrador (como lw e sw) e adicioná-lo ao endereço– usar Instruction Address Register (PC = program counter)– A maioria dos branchs são locais (princípio da localidade)

• Instruções de Jump usa apenas os bits de alta ordem do PC – Limite de endereçamento de 256 MB

op rs rt 16 bit addressI

Endereços em Branchs

Resumindo:MIPS operands

Name Example Comments$s0-$s7, $t0-$t9, $zero, Fast locations for data. In MIPS, data must be in registers to perform

32 registers $a0-$a3, $v0-$v1, $gp, arithmetic. MIPS register $zero always equals 0. Register $at is $fp, $sp, $ra, $at reserved for the assembler to handle large constants.

Memory[0], Accessed only by data transfer instructions. MIPS uses byte addresses, so

230

memory Memory[4], ..., sequential words differ by 4. Memory holds data structures, such as arrays,

words Memory[4294967292] and spilled registers, such as those saved on procedure calls.

Posição rápida para os dados: os dados devem estar em registradores para realizar aritméticaRegistrador $zero sempre contem valor 0Registrador $at é reservado para o assembler manipular constantes grandes

Memória: acessada somente por instruções de transferência de dadosEndereçado por bytes, tal que as palavras seqüenciais difiram de 4 no endereçoMemória contem estrutura de dados, como arrays, e valores de registradores que transbordaram

MIPS assembly language

Category Instruction Example Meaning Commentsadd add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3 Three operands; data in registers

Arithmetic subtract sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 - $s3 Three operands; data in registers

add immediate addi $s1, $s2, 100 $s1 = $s2 + 100 Used to add constants

load w ord lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2 + 100]Word from memory to register

store w ord sw $s1, 100($s2) Memory[$s2 + 100] = $s1 Word from register to memory

Data transfer load byte lb $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2 + 100]Byte from memory to register

store byte sb $s1, 100($s2) Memory[$s2 + 100] = $s1 Byte from register to memoryload upper immediate

lui $s1, 100 $s1 = 100 * 216 Loads constant in upper 16 bits

branch on equal beq $s1, $s2, 25 if ($s1 == $s2) go to PC + 4 + 100

Equal test; PC-relative branch

Conditional

branch on not equal bne $s1, $s2, 25 if ($s1 != $s2) go to PC + 4 + 100

Not equal test; PC-relative

branch set on less than slt $s1, $s2, $s3 if ($s2 < $s3) $s1 = 1; else $s1 = 0

Compare less than; for beq, bne

set less than immediate

slti $s1, $s2, 100 if ($s2 < 100) $s1 = 1; else $s1 = 0

Compare less than constant

jump j 2500 go to 10000 Jump to target address

Uncondi- jump register jr $ra go to $ra For sw itch, procedure return

tional jump jump and link jal 2500 $ra = PC + 4; go to 10000 For procedure call

Byte Halfword Word

Registers

Memory

Memory

Word

Memory

Word

Register

Register

1. Immediate addressing

2. Register addressing

3. Base addressing

4. PC-relative addressing

5. Pseudodirect addressing

op rs rt

op rs rt

op rs rt

op

op

rs rt

Address

Address

Address

rd . . . funct

Immediate

PC

PC

+

+

• Alternativas de Projeto:

– Prover operações mais potentes

– A meta é reduzir o número de instruções executadas

– O perigo é um tempo de ciclo mais lento e/ou um CPI maior

• As vezes referidos como “RISC vs. CISC”

– virtualmente todos os novos conjuntos de instruções desde 1982 tem sido RISC

• Veremos o PowerPC e 80x86

Arquiteturas Alternativas

PowerPC• Indexed addressing

– exemplo: lw $t1,$a0+$s3 #$t1=Memory[$a0+$s3]

– O que devemos fazer no MIPS?

• Update addressing– Atualizar um registrador como parte do load (para

operar sobre elementos de vetores)– exemplo: lwu $t0,4($s3) #$t0=Memory[$s3+4];$s3=$s3+4

– O que devemos fazer no MIPS?• Outros:

– load multiple/store multiple– Um registrador contador especial “bc Loop”

decrementar o contador, e se não for 0 vai para loop

Intel 80x86A partir do 80386 , também chamado de IA-32

• 1978: Intel 8086 é anunciado (arquitetura de 16 bits)• 1980: 8087 é adicionado o coprocessador de ponto

flutuante• 1982: 80286 aumenta o espaço de endereçamento para

24 bits, + instruções• 1985: 80386 estende para 32 bits, novos modos de

endereçamento• 1989-1995: 80486, Pentium, Pentium Pro e algumas

novas instruções(a maioria para melhorar o desempenho)

• 1997: MMX é adicionado

“This history illustrates the impact of the “golden handcuffs” of compatibility

“adding new features as someone might add clothing to a packed bag”

“an architecture that is difficult to explain and impossible to love”

Uma arquitetura dominante: 80x86

• Complexidade:– Instruções de 1 a 17 bytes – um operando deve agir como fonte e destino– um operando pode vir da memória– Modos de endereçamento complexos

p.ex., “base ou scaled index com deslocamento de 8 ou 32 bit”

• Salvando a graça:– As instruções mais frequentemente usadas não são tão

difíceis de serem construidas– Os compiladores evitam as porções da arquitetura que

são lentas“what the 80x86 lacks in style is made up in quantity,

making it beautiful from the right perspective”