W7 – Architektura zbioru rozkazów

Zdzisław Stryła komputer 1

W7 – Architektura zbioru rozkazów

Zdzisław Stryła

Instytut Fizyki UAM


Czym jest architektura komputera

Architektura komputera =

architektura zbioru rozkazów +

architektura sprzętu;


Czym jest architektura zbioru rozkazów?

Atrybuty systemu (komputerowego), tak jak są widziane przez programistę, to jest jako koncepcja struktury i właściwości funkcjonalne, bez uwzględniania organizacji przepływu danych i sterowania, konstrukcji logicznej i implementacji fizycznej.Amdahl, Blaaw, Brooks 1964


Czym jest architektura zbioru rozkazów ?


The Instruction Set Architecture - ISA

ISA: określa, co może wyrazić kompilator.

ISA: określa, co musi wykonać sprzęt.

ISA: jest słownikiem dla kompilatora.

ISA: jest pośrednikiem pomiędzy kompilatorem, a sprzętem.


ISA - Architektura procesora - mikroarchitektura

ISA - odnosi się do zestawu instrukcji widzianego przez programistę.

Określa granicę między oprogramowaniem i sprzętem.Często ISA jest utożsamiana z architekturą procesora.

Mikroarchitektura procesora odnosi się do wewnętrznej organizacji procesora.

Różne procesory z różnymi mikroarchitekturami mogą mieć tę samą architekturę ISA.


Jak programista widzi maszynę?:

•Jak są reprezentowane dane?

•Gdzie można zapamiętywać dane?

•Jak można odwoływać się do danych?

•Które operacje na danych mogą być wykonane?

•Jak są kodowane rozkazy?


Co trzeba określić?:

•Format (kodowanie rozkazu);•Jak jest dekodowany?

•Lokalizacja operandów i wyników:•Jeśli nie w pamięci, to gdzie?•Ile jawnych operandów?•Jak operandy są lokowane w pamięci?•Które mogą, lub nie mogą być w pamięci?

•Typy i rozmiary danych•Operacje – które są wspierane?•Skąd następny rozkaz?

Pobranie rozkazu

dekodowanie rozkazu

Pobranie operandu

wykonanie

Zapis wyniku

Wyznaczenie adresu

następnego rozkazu


Co trzeba określić? cd :

• Organizacja zestawu( widocznych) rejestrów;• Typy i struktury danych;

KODOWANIE i reprezentacje;• Formaty rozkazów;• Zestaw rozkazów maszynowych;• Tryby adresowania i rozkazy udostępniające

obiekty danych;• Wyjątki, I/O, przerwania;


Rejestry ogólnego przeznaczenia

• Zalety rejestrów:• Rejestry są szybsze od pamięci;• Użycie rejestrów jest wygodniejsze dla

kompilatora;• Rejestry są adresowane na kilku bitach (krótki

rozkaz).• Wszystkie procesory są wyposażone w rejestry.

• Zmniejsza się obciążenie magistral.


Rejestry w Pentium

AX EAXAH AL

BX EBXBH BL

CX ECXCH CL

DX EDXDH DL

ESIEDIEBPESP

AKUMULATOR

REJESTR WSKAŹNIKÓW

LICZNIK PĘTLI

AKUMULATOR POMOCNICZY ( *, / )

WSKAŹNIK ŁAŃCUCHA ŻRÓDŁOWEGO

WSKAŹNIK ŁAŃCUCHA DOCELOWEGO

WSKAŹNIK RAMKI STOSU

WSKAŹNIK WIERZCHOŁKA STOSU


Rejestry w Pentium cd.

CS

EIP

EFLAGS

REJESTRY SEGMENTOWE

Z CZASÓW 8088

AKUMULATOR POMOCNICZY ( *, / )

LICZNIK ROZKAZÓW

REJESTR STANU PROCESORA

SSDSESFSGS


Format rozkazu

KOD ROZKAZUADRES

ARGUMENTU 1ADRES

ARGUMENTU 2ADRES WYNIKU

ADRES NASTĘPNEGO

ROZKAZU

BAJT, GDY 256 ROZKAZÓW

Po 2 bajty dla przestrzeni adresowej 64 kB

2 bajty dla przestrzeni adresowej 64 kB


Dużo tego – co robić?

KOD ROZKAZUADRES

ARGUMENTU 1ADRES

ARGUMENTU 2ADRES WYNIKU

ADRES NASTĘPNEGO

ROZKAZU

BAJT, GDY 256 ROZKAZÓW

Użycie rejestru,

lub adres domyślny

2 bajty dla przestrzeni adresowej 64 kB Licznik programu z automatyczną inkrementacją

Użycie rejestru,

lub adres domyślnyOrganizacja akumulatorowa


Typy rozkazów

– operacje arytmetyczne,

– operacje logiczne,

– operacje logiczne na bitach,

– przesyłanie danych,

– rozkazy zmieniające kolejność wykonywania programu.


ROZKAZY ARYTMETYCZNE

integer (binary + decimal) or FPAdd, Subtract, Multiply, DivideMogą być jedno-, dwu-, lub trójoperandowe.W niektórych procesorach występują różne rozkazy dla

danych o różnych formatach.Mogą występować odrębne rozkazy mnożenia i dzielenia

liczb bez i ze znakiem.

Shift and rotate instructions: left or right shifts and rotations.

Występują dwa typy przesunięć : logiczne i arytmetyczne.


ROZKAZY LOGICZNE

Logical not, and, or, set, clear

Shift shift left/right, rotate left/rightMogą być jedno-, dwu-, lub trójoperandowe.

Występują dwa typy przesunięć : logiczne i arytmetyczne.


PRZESŁANIA

Load (from memory)

Store (to memory)

memory-to-memory move

register-to-register move

input (from I/O device)

output (to I/O device)

push, pop (to/from stack)


Operacje bitowe

Rozkazy operują na wyszczególnionych polach bitowych.Pole jest określane przez podanie jego rozmiaru i

przesunięcia (offset) względem początku słowa.Rozkazy zwykle umożliwiają sprawdzenie stanu

(dotyczy to różnych flag), ustawienie, zerowanie i ew. inne operacje.


Operacje na danych zmiennoprzecinkowych

• Przesłania danych zmiennoprzecinkowych;

• Rozkazy arytmetyczne, porównania, pierwiastkowania, wartość bezwzględna, funkcje trygonometryczne, operacje na typach nasyceniowych (MMX) i in.


Rozkazy zmieniające kolejność wykonywania programu.

• skoki - bezwarunkowe

• Rozgałęzienia – warunkowe;

• Wywołania procedur;

• Powroty z procedur;

• Powroty z przerwań i wyjątków.


Rozkazy inne

Rozkazy systemowe – umożliwiają użytkownikowi wpływać bezpośrednio na pracę procesora i innych części systemu komputerowego

Rozkazy dla specjalnych jednostek funkcjonalnych (np. operacje graficzne).

Rozkazy atomowe – sterujące dostępem do krytycznych części procesora.


Formaty rozkazówformat 3-adresowy :

opcode | Dest | Src1 | Src2;typowo używany przez procesory o architekturze

rejestr-rejestr (load/store); format 2-adresowy :

opcode | Dest/Src1 | Src2 ; architektura rejestr-pamięć (R/M).

format 1-adresowy: opcode | Src;

typowy dla maszyn akumulatorowych.

format zeroadresowy: opcode; Maszyny stosowe.


Architektury rejestrowe

C := A + B

Stosowa

Push APush BAddPop C

Akumula-torowa

Load AAdd BStore C

Pamięć- Pamięć

Add C, A, B

Rejestr-Pamięć

Load R1, A

Add R1, BStore C, R1

Rejestr- Rejestr

Load R1, ALoad R2, BAdd R3,R2, R1,Store C, R3

zeroadresowy

1-adresowy 3-adresowy 2-adresowy 3-adresowy


Kryteria dla doboru zestawu rozkazów

Kompletność : repertuar rozkazowy musi umożliwić wykonanie każdego algorytmu;

Ortogonalność: dwa rozkazy nie mogą robić tego samego;

Symetria: ADD – SUB;

Adekwatność: więcej zasobów dla często używanych rozkazów;

Wydajność: krótki czas wykonywania;


Dominująca architektura : 8086

• Złożoność:• rozkazy o rozmiarach od 1 do 17 bajtów;• Jeden z rejestrów musi być równocześnie

źródłowym i docelowym.• Jeden z operandów może być pobrany z

pamięci;• Złożone tryby adresowania - np. adresowanie

bazowe lub skalowane indeksowe z 8- lub 32-bitowym przemieszczeniem.

“what the 80x86 lacks in style is made up in quantity,- - better making it beautiful from the right perspective”


Formaty rozkazów Pentium


Formaty rozkazów Pentium -przedrostkiPowtórzenia – powodują wielokrotne wykonanie

rozkazów łańcuchowych

,, aż do wyzerowania CX, lub ustawienia flagi ZF”;

Zmiana domyślnego segmentu16/32 bity

16/32 bity


Formaty rozkazów Pentium

Argument w rejestrze

8/16/32 bitowym

Argument w rejestrze

lub pamięci Współczynnik skali

Wybór rejestru indeksowego

Wybór rejestru bazowego


Adresowanie bazowo-indeksowe ze skalowaniem i deskryptoroweLA = ([wskaźnik segmentu]) + (baza) + (indeks) × skala + przemieszczenie,

przesunięcie

indeks Argument +

baza

skalax

Adres segmentu

Wskaźnik segmentu

deskryptor

adres segmentu

+


Formaty rozkazów w PDP-11

Documents

W7 – Architektura zbioru rozkazów