CLASE 11

¿QUE ES ARQUITECTURA DE COMPUTADORES?

Arquitectura de la maquina Organización de la maquina

ARQUITECTURA VON-NEWMAN

• Los programas y los datos se encuentran en memoria.• Para la ejecución de un programa las instrucciones y datos son llevadas a la

CPU.• Los resultados se almacenan de nuevo en memoria.• La memoria esta unida a la CPU por medio de un bus de alto desempeño.

REGISTROS MIPS Y MEMORIA

ORGANIZACIÓN DE MEMORIA

• Dos vistas de memoria: bytes con direcciones 0, 1, 2, 3, …, . palabras de 4 bytes (words) con direcciones 0, 4, 8, …, .

• Ambos puntos de vista utilizan bytes como direcciones.• Las direcciones word deben ser multiplos de 4 (condición de alineamiento).

TIPOS DE INSTRUCCIONES MIPS

Aritmetico – logicasEmpleadas para manipular datos en registros.

beq $s1, $s2, 25 if ($s1==$s2) PC = PC + 4 + 4*25

Transferencia de datosMueven los datos de registros desde/hacia memoria

SaltoAlteran el flujo de ejecución de un programa

add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3or $s3, $s4, $s5 $s3 = $s4 OR $s5

lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2 + 100]sw $s1, 100($s2) Memory[$s2 + 100] = $s1

Serán tratadas mas adelante

INSTRUCCIONES ARITMETICO-LOGICAS

Uso de la instrucción:

add dest, src1, src2 #dest = src1 + src2sub dest, src1, src2 #dest = src1 - src2and dest, src1, src2 #dest = src1 AND src2

Características de la instrucción:• Siempre tendrá 3 operandos: Destino + 2 fuentes.• El orden de los operandos es fijo.• Los operandos son siempre registros de proposito general (GPR).

INSTRUCCIONES DE TRANSFERENCIA DE DATOS

Formado de la instruccion:

lw $dest, offset($addr) # load wordsw $src, offset($addr) # store word

• Transfieren datos entre registros y memoria.• Ojo: Los operandos aritmeticos son registros, no memoria.

• Ejemplo: codigo C: A[8] = h + A[8] El codigo mips: El compilador asume que el valor de h esta asociado a $s2

y $s3 contiene la dirección base de A (A[0]).

lw $t0, 32($s3)add $t0, $s2, $t0sw $t0, 32($s3)

EJEMPLO: CARGANDO UNA VARIABLE SIMPLE

EJEMPLO: CARGANDO UN ARRAY

INSTRUCCIONES MIPS

• Todas las instrucciones tienen exactamente 32 bits de ancho.• Diferentes formatos para diferentes propósitos.• Las similitudes en los formatos facilitan la implementación.

Será tratado mas adelante

REPRESENTACION BINARIA DE UNA INSTRUCCION

lw $9, 1200($8) == lw $t1, 1200($t0)

add $8, $17, $18

Ver carta de referencia del MIPS

UTILIZANDO REGISTROS• Muchos programas tiene más variables que el número de registradores que

tiene una máquina.• El compilador intenta mantener las variables más usadas en los

registradores y coloca el resto en la memoria, utilizando loads y stores para mover los datos entre la memoria y los registradores.

• Los compiladores tiene que utilizar los registradores de forma eficiente.

Register Memory

Register Memory

UTILIZANDO REGISTROS

Processor

Memory

C/C++ statement

A = B + C;

LW $S1, (address of B)LW $S2, (address of C)

ADD $S3, $S2, $S1

SW $S3, (address of A)

Assembly instructions

S1S2S3

BC

B

C

A

LW (Load Word)LW (Load Word)

SW (Store Word)B+C

+

INSTRUCCIONES DE CONTROL DE FLUJO

• Muchos programas tiene más variables que el número de registradores que tiene una máquina.

• Lo que distingue un computador de una calculadora simple es la habilidad de tomar decisiones.

• Con base en la entrada y en los resultados computados, diferentes instrucciones son ejecutadas.

• En lenguajes de alto nivel, una de las formas de tomar las decisiones es a través de las instrucciones if y goto.

• En MIPS, tenemos dos instrucciones que actúan de manera similar las instrucciones que combinan if con goto.

ALTO NIVEL ENSAMBLADOR USO

if bnebeq

bne rs, rt, label beq rs, rt, label

goto j j label

SALTOS CONDICIONALES• Saltan a la instrucción etiquetada (label) si la condición es cierta de otra manera,

continúan la ejecución secuencial.• Hay dos maneras de implementar saltos condicionales en lenguaje ensamblador. Para

ello se emplean las instrucciones bne (branch if no equal) y beq (branch if equal).• Permiten reemplazar la instrucción if.

INSTRUCCION SINTAXIS OPERACIÓN

beq beq rs, rt, label

Si (rs==rt) salta a la instrucción etiquetada con Label.

FORMATO I

bne bne rs, rt, label

Si (rs==rt) salta a la instrucción etiquetada con Label.

FORMATO I

SALTOS CONDICIONALES – CALCULO DE LA DIRECCION

¿Cómo se calculan las direcciones?Programa almacenado (Modelo de Von Newman).

Memory

4C000000Assembled

+Loaded

***.asm

My_Address:

My_Address: XXXXXX

SALTOS CONDICIONALES - CALCULO DE LA DIRECCION

Program counter (PC)• Registro que contiene la dirección de la instrucción a ejecutar• Este registro se actualiza (con el valor PC+4) en el ciclo de búsqueda

(fetch) de la instrucción de tal manera que guarda la dirección de la siguiente instrucción.

SALTOS CONDICIONALES• Para calcular la dirección de destino de salto se emplea un registro (como en las instrucciones lw

y sw), al que se suma el valor del offset de 16 bits.• Restringe la distancia del salto entre -215=-32768 y +215-1=32767 instrucciones a partir de la

instrucción siguiente a la instrucción de salto.

4 rs rt Offset 16 bits

opcode

5 rs rt Offset 16 bits

opcode

beq rs, rt, Label

bne rs, rt, Label

PCAdd

32

32 3232

32

offset16

32

00

sign-extend

from the low order 16 bits of the branch instruction

branch destinationaddress

?Add

432

Dirección de destino de salto

SALTOS INCONDICIONALES• El MIPS cuenta con una instrucción para desvio incondicional llamada instrucción de

salto (jump).• Salta a la instrucción etiquetada con Label (goto).• La sintaxis es la mostrada a continuación:

• j label = goto label• Existe un formato para la instrucción de desvio, el formato tipo j

j Label

FORMATO J

opcode Target address

6 bits 26 bits

Ejemplo: j Label

2 Target address

opcode

SALTOS INCONDICIONALESDirección de destino de salto• El campo Target address de 26 bits se usa para conformar un valor de 28 bits

agregándole dos ceros en la parte baja. A esta cadena se concatenan, en su parte superior, los 4 bits más significativos del PC

2 Target address

opcode

PC

4

32

26

32

00

from the low order 26 bits of the jump instruction

j Label

OPERACIONES LOGICAS

Ejemplo:Compilación de la estructura if-then-elseif(i==j) f=g+h;else f=g-h;

Solución:Supongamos que el compilador asocia las variables f a j con los registros $s0 a $s4, respectivamente:

bne $s3, $s4, Else #va a Else si i≠j add $s0, $s1, $s2 #f=g+h (no ejecutada si i≠j) j Exit #va a ExitElse: sub $s0, $s1, $s2 #f=g-h (noejecutada si i==j)Exit: ...

El ensamblador calcula las direcciones correspondientes para crear el código de máquina

CICLOS• La Decisiones son importantes para escoger entre dos alternativas, y para iterar una

serie de operaciones (loop). • Usamos las mismas instrucciones de ensamblador para las dos situaciones.• Todo depende de donde colocamos el rótulo (label) para el cual saltaremos.

Ejemplo:Compilación de un bucle while

while (save[i]==k) i+=1;

Solución:Supongamos que el compilador asocia las variables i y k con los registros $s3 y $s5, y la base del vector save está en $s6

Loop: sll $t1, $s3, 2 # reg. temp. $t1=4*i add $t1, $t1, $s6 # $t1 = dirección save[i] lw $t0, 0($t1) # reg. temp. $t0 = save[i] bne $t0, $s5, Exit # va a Exit si save[i] ≠ k addi $s3, $s3, 1 # i = i+1 j Loop # va a LoopExit: ...

Loop:

Exit:

INSTRUCCIONES DE CONTROL DE FLUJO• Las pruebas de igualdad y desigualdad son muy comunes (beq, bne)• También es útil saber si una variable es menor que otra (como en el caso de

un bucle que prueba el índice de iteración)• La instrucción MIPS que lo hace es set on less than

slt rd, rs, rt

Significado:• El registro rd se pone a 1 si el valor en el registro rs es menor que el valor en

el registro rt• De lo contrario, rd se pone a cero

• La instrucción es set on less than (slt) sigue el formato R

0 rs rt rd 0 42

opcode shamt funct

INSTRUCCIONES DE CONTROL DE FLUJO• La instrucción set on less unsigned es una variacion de la instrucción stl y

funciona como se muestra a continuacion:

sltu rd, rs, rt # if (rs < rt)# rt = 1;# else# rt = 0;

• Como las comparaciones con valores constantes son muy comunes, existe una versión de la instrucción set on less than con direccionamiento inmediato

slti $t0, $s2, constant # if (rs<constant)# rt = 1;# else# rt = 0;

• También existe sltiu

INSTRUCCIONES DE CONTROL DE FLUJO• Para comparar con cero: emplear registro $zero• El registro $zero (registro 0) tiene su valor fijado en cero (SIEMPRE).• No hay instrucciones MIPS de salto con condiciones <, ≤, >, ≥ porque harían

más complejo el HW Demandarían aumentar el ciclo de reloj (penalizando todas las instrucciones) Compromiso de diseño: incluir sólo beq y bne, los casos más comunes.

• Un compilador del MIPS emplea las instrucciones slt, beq y bne, además del registro $zero para crear otras estructuras condicionales. Menor que (less than): blt $s1, $s2, Label

slt $at, $s1, $s2 #Lleva 1 a $at si $s1<$s2 bne $at, $zero, Label … …

Label: …

Menor o igual que (less than or equal to) : ble $s1, $s2, Label Mayor que (greater than) : bgt $s1, $s2, Label Mayor o igual que (great than or equal to): bge $s1, $s2, Label

EJEMPLO: DESVIO SI MENOR QUE

Ejemplo:Compilación de la estructura if-then-elseif(i<j) f=g+h;else f=g-h;

slt $t0, $s0, $s1 # $t0 = (i < j)? beq $t0, cero, Else # va para else si i >= j add $s0, $s1, $s2 # f = g + h j Fin # va para FinElse: sub $s0, $s1, $s2 # f = g – h Fin: ...

Solución:Supongamos que el compilador asocia las variables f a j con los registros $s0 a $s4, respectivamente:

Else:

Fin:

TRANSFERENCIAS ENTRE BYTES Y MEDIAS PALABRAS (HALFWORDS)

• Además de las instrucciones para mover palabras (lw y sw) el MIPS posee instrucciones para mover bytes y medias palabras.

Útiles para programas de procesamiento de texto

lb rt, offset(rs) # Carga en los 8 LSBits de rt un bytelh rt, offset(rs) # Carga en los 16 LSBits de rt media palabra

# El valor cargado es extendido en signo# a 32 bits en rt

lbu rt, offset(rs) # Carga en los 8 LSBits de rt un bytelhu rt, offset(rs) # Carga en los 16 LSBits de rt media palabra

# El valor cargado es extendido con 0’s# a 32 bits en rt

sb rt, offset(rs) # Almacena en los 8 LSBits de la palabra en M.sh rt, offset(rs) # Almacena en los 16 LSBits de la palabra en M.

# Los bits restantes de la palabra en memoria# no se modifican

OPERANDOS INMEDIATOS DE 32 BITS• Algunas veces las constantes no se pueden representar en el campo de 16 bits del

formato I.• MIPS incluye una instrucción (load upper immediate, lui) para cargar los 16 bits

superiores de una constante en un registro, permitiendo que otra instrucción posterior ajuste los 16 bits inferiores de la constante de 32 bits.

15 0 8 10101010101010102

10101010101010102

00000000000000002 11111111111111112

00000000000000002

10101010101010102 11111111111111112

ori $t0, $t0, 0xFFFF

lui $t0, 0xAAAA

SALTOS CONDICIONALES DE MAYOR ALCANCE• ¿Qué pasa si el destino del salto está más allá de lo que permiten 16 bits?

Dado un salto condicionado por la igualdad de los registros $s0 y $s1

beq $s0, $s1, L1……

L1: …

Para lograr un salto de mayor alcance, se introduce un salto incondicional (jump) al destino del salto inicial, y se invierte la condición:

bne $s0, $s1, L2j L1

L2: ……

L1: …

REFERENCIAS

• http://microe.udea.edu.co/~farivera/docencia.html• http://arch.eece.maine.edu/ece473/index.php/Lectures• http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs61c/sp11/labs/05/• http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs61c/sp11/labs/06/• http://cs.wellesley.edu/~cs240/• http://www.ccs.neu.edu/course/csu380jc/calendar.html• http://logos.cs.uic.edu/366/notes/mips%20quick%20tutorial.htm• http://www.utdallas.edu/~dodge/EE2310/• http://146.163.146.170/CS312/CS312.html• http://courses.missouristate.edu/KenVollmar/MARS/index.htm• http://www.ece.eng.wayne.edu/~

gchen/ece4680/lecture-notes/lecture-notes.html• http://www.ece.cmu.edu/~jhoe/course/ece447/handouts/ • Computer organization and design. The hardware/software interface, 3rd

ed., Chapter 2. D. Patterson and J. Hennessy. Morgan Kaufmann Publishers