Organización y Arquitectura

Transcripción

1 Diego Garverbetsky 1, Marcelo Risk 1, Diego Fernández Slezak 1, Juan Pablo Galeotti 1, Fernando Schapachnik 1 1 Departamento de Computación, FCEyN, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina Organización del Computador I, verano de 2013

2 (2) Niveles de abstracción de una computadora

3 (3) Organización de una computadora moderna Unidad Central de Procesamiento (CPU) Registros Unidad Aritmético-Lógica (ALU) Interconexión interna de la CPU Unidad de Control Lógica secuencial Unidad de control de registros y decodificadores Memoria de control Memoria principal Subsistema de Interconexión (Bus) Subsistema de Entrada/Salida (I/O)

4 (4) Von Neumann Esto es lo que se conoce como el Modelo......Von Neumann (/Fon Noiman/)

5 (5) Organización del Modelo Von Neumann

6 (6) Microarquitectura del Modelo Von Neumann

7 (7) Ciclo de instrucción FETCH 1) UC obtiene la próxima instrucción de memoria (usando el registro PC). 2) Se incrementa el PC. DECODE 3) La UC decodifica la instrucción. EXECUTE 4) La UC ejecuta la instrucción (puede usar o no la ALU). 5) Vuelve al paso 1.

8 (8) Listo Con esto ya puedo construir una computadora.? Sólo una? De alguna manera tengo cierta idea del flujo de información, pero falta saber algunas cosas. Es decir, conozco la organización, pero no aún la arquitectura.

9 (9) Arquitectura de una computadora Qué tipos de datos puede manejar nativamente? Cómo se almacenan? Cómo se acceden? Qué operaciones (instrucciones) puede ejecutar? Cómo se codifican estas operaciones? Un conjunto de respuestas a estas preguntas se llama Instruction Set Architectura. También conocida como ISA. Cuando estamos estudiando una ISA, la organización se vuelve un detalle que sólo interesa para endenter el comportamiento.

10 (10) Métricas de una ISA Cantidad total de instrucciones disponibles ( largo ). Complejidad del conjunto de instrucciones: RISC: Reduced Instruction Set Computer CISC: Complex Instruction Set Computer Longitud de las instrucciones ( ancho ). Cantidad de memoria que un programa requiere ( largo x ancho ).

11 (11) Qué tipos de datos soporta? Tipos de datos Enteros (8, 16, 32 bis; complemento a 2) Punto flotante Punto fijo BCD, ASCII? Almacenamiento Big Endian Little Endian

12 (12) Little Endian vs Big Endian Endianness se refiere a la forma en que la computadora guarda datos multibyte. Little endian: el byte en una posición de memoria menor, es menos significativo. En general, Intel y computadoras CISC. Big endian: el byte en una posición de memoria menor, es el más significativo. En general, Motorola, computadoras RISC y redes. Ejemplo para 0x1234 Little endian: M[0] = 0x34 M[1] = 0x12 Big endian: M[0] = 0x12 M[1] = 0x34 Ejemplo para 0x Little endian: M[0] = 0x78 M[1] = 0x56 M[2] = 0x34 M[3] = 0x12 Big endian: M[0] = 0x12 M[1] = 0x34 M[2] = 0x56 M[3] = 0x78

13 (13) Endianness Fuente: Los viajes de Gúliver, de Jonathan Swift Leerlo para aprender Sobre Líliput. Qué es un Yahoo! Una modesta proposición: Para prevenir que los niños de los pobres de Irlanda sean una carga para sus padres o el país, y para hacerlos útiles al público.

14 (14) Acceso a los datos Dónde se almacenan los datos? Registros Memoria Stack Espacio de E/S Cómo se acceden a los datos? Modos de direccionamiento válidos de las instrucciones. Directo (memoria), indirecto (puntero en memoria), indexado a registro.

15 (15) Operaciones Qué operaciones (instrucciones) puede ejecutar? Movimiento de datos (eg, Move, Load, Store,...). Aritméticas (eg, ADD, SUB,...). Lógicas (eg, AND, XOR,...). E/S (eg, IN, OUT). Transferencia de control (eg, Jump, Call, Ret). Específicas (eg, MMX).

16 (16) Cómo se codifican las operaciones? CódOp Fuente/s Destino/s Ref. próx instr }{{} Longitud de la instrucción CódOp: Representa la operación a realizar. Fuente/s: Provee información sufiente para obtener operandos de origen. Destino/s: Provee información sufiente para obtener la ubicación del resultado de la operación Ref. próx instr: Provee información suficiente para determinar el próximo PC.

17 (17) Arquitectura ejemplo: MARIE Representación binaria, complemento a 2. Memoria de 4K direcciones. Cada dirección contiene 16 bits de datos. Direcciones de memoria de 12 bits (2 12 =4K). Máquina de Acumulador: Registro Acumulador (AC) de 16 bits. Es el operando impĺıcito en casi todas las operaciones.

18 (18) MARIE: instrucciones Instrucción Comportamiento JnS X Almacena PC en X y salta a X+1 Load X AC = [X] Store X [X]= AC Add X AC = AC + [X] Subt X AC = AC - [X] Input AC = Entrada de periférico Output Enviar a un periférico contenido AC Halt Detiene la ejecución Skip COND Saltea una instrucción si se cumple Si COND=00 AC<0 Si COND=01 AC=0 Si COND=10 AC>0 Jump X PC = X Clear AC = 0 Addi X AC = AC + [ [ X ] ] Jumpi X PC = [X]

19 (19) MARIE: Formato de instrucción Formato de instrucción fijo: OpCode Dirección

20 (20) MARIE: Codificación instrucciones OpCode Instrucción Comportamiento 0000 JnS X Almacena PC en X y salta a X Load X AC = [X] 0010 Store X [X]= AC 0011 Add X AC = AC + [X] 0100 Subt X AC = AC - [X] 0101 Input AC = Entrada de periférico 0110 Output Enviar a un periférico contenido AC 0111 Halt Detiene la ejecución 1000 Skip COND Salta una instrucción si se cumple la condición (00 AC<0; 01 AC=0; 10 AC>0) 1001 Jump X PC = X 1010 Clear AC = Addi X AC = AC + [ [ X ] ] 1100 Jumpi X PC = [X]

21 (21) MARIE: Ejemplo en ensamblador Tarea: Sumar el contenido de 0xFF0 y 0xFF1. Almacenar el resultado en 0xFF2. Load 0xFF0 Add 0xFF1 Store 0xFF2 # AC=[0xFF0] # AC=[0xFF0]+[0xFF1] # [0xFF2]=[0xFF0]+[0xFF1]

22 (22) MARIE: Ejemplo ya ensamblado # Load 0xFF # Add 0xFF # Store 0xFF2

23 (23) Estructuras de control Las instrucciones que vimos hasta ahora son las equivalentes a las asignaciones. Cómo alteramos el flujo de control de un programa? Ie, cómo implementamos los IF, WHILE, llamadas a procedimientos? En ensamblador tenemos las instrucciones de control: Saltos condicionales (debe cumplirse alguna condición). Saltos incondicionales (se cambia el flujo siempre que se ejecuta la instrucción).

24 (24) Ejemplo de estructuras de control Cómo podemos escribir este programa con instrucciones de MARIE? If (AC!=0) AC=0 EndIf SkipCond 01 Clear

25 (25) La pila

26 (26) La pila Es una estructura de datos. Puedo solamente: Agregar un dato al tope de la pila (PUSH). Retirar el dato que está al tope de la pila (POP). Se implementa en memoria.

27 (27) Arquitecturas basadas en pila Se implementa con un registro que apunta solamente al tope de la pila. Las stack machines Pueblan y despueblan la pila usando: PUSH operando POP operando Las operaciones aritmético/lógicas obtienen los operandos de la pila y almacenan los resultados alĺı.

28 (28) Ejemplo: StackMARIE Tiene la arquitectura de MARIE pero orientada a pila. OpCode Instrucción Comportamiento 0000 PUSH X push([x]) 0001 POP X [x]=pop() 0010 ADD push(pop()+pop()) 0011 SUB push(pop()-pop()) 0100 AND push(pop() & pop()) 0101 OR push(pop() pop()) 0110 NOT push ( pop()) 0111 LE push(pop()<=pop()) 1000 GE push(pop()>=pop()) 1001 EQ push(pop()==pop()) 1010 JUMP X PC=X 1011 JumpT X Si pop()==t entonces PC=X 1100 JumpF X Si pop()==f entonces PC=X

29 (29) Arquitecturas GPR GPR: General Purpose Register. Arquitecturas de registros de propósito general. Podemos utilizar varios registros. Caso típico: arquitecturas RISC....y la mayor parte de las arquitecturas actuales.

30 (30) Arquitectura de la Máquina Orga1 Memoria: Direcciones de 16 bits (de 0x0000 a 0xFFFF). Palabras de 16 bits. Direccionamiento a palabra (65535 palabras). Registros 8 registros de propósito general de 16 bits (R0 a R7). 3 registros de propósito específico de 16 bits: PC (Program Counter) IR (Instruction Register) SP (Stack Pointer) 4 flags: Z, N, C y V

31 (31) Flags Son registros de 1 bit que nos dan información de control. En la arquitectura Orga1: (Z)ero (N)egative (C)arry o(v)erflow Se modifican con todas las operaciones aritmético-lógicas (ie, todas salvo MOV, CALL, RET, JMP y Jxx).

32 (32) Flags: Ejemplo ADD R0, R1 # R0 := R0+R1 (suma bit a bit) Z==1 ssi el resultado es 0x0000. N==1 ssi el resultado es negativo complemento a 2 de 16 bits. C==1 ssi la suma bit a bit produjo acarreo. V==1 ssi el resultado no es representable en complemento a 2 de 16 bits. NEG + NEG = POS POS + POS = NEG

33 (33) Flags y control de flujo Los flags se utilizan para realizar saltos condicionales. Salto Descripción Condición JE Igual / Cero Z JNE Distinto Not Z JLE Menor o igual Z or ( N xor V) JG Mayor Not (Z or ( N xor V ) ) JL Menor N xor V JGE Mayor o igual Not ( N xor V ) JLEU Menor o igual sin signo C or Z JGU Mayor sin signo Not ( C or Z ) JCS Carry / Menor sin signo C JNEG Negativo N JVS Overflow V

34 (34) Flags: Preguntas Por qué usar flags y no preguntar por el valor de los registros o la memoria? Por qué hay un Menor y un Menor sin signo?

35 (35) Subrutinas Son alteraciones del flujo secuencial que permiten retornar al lugar desde donde fueron invocadas. CALL dir_subrutina # PC = dir_subrutina Problema: cómo guardamos la dirección de retorno? a) En registros. b) En una dirección de memoria (ejemplo: al inicio de la rutina). c) Ninguna de las anteriores... El que dijo... a) Si la subrutina usa los registros perdemos el valor de retorno. Cómo manejamos la recursión? b) Cómo soportamos recursión/varios llamados a la misma subrutina? c) La pila!

36 (36) Subrutinas en la pila CALL dir subrutina Sirve para comenzar a ejecutar una subrutina. La CPU hace push(pc), y luego PC:=dir subrutina RET Sirve para terminar de ejecutar una subrutina. La CPU hace PC:=pop() Adicionalmente, con PUSH/POP podríamos almacenar los argumentos y el retorno de la subrutina (se ve en Orga2).

37 (37) Tarea Sean A, B, C y D direcciones de memoria. Escribir un programa que realice D:=(A-B)+C en MARIE (acumulador) StackMARIE (pila) Orga1 (GPR)

38 (38) Bibliografía Capítulos 4 y 5 del Null. Van a servir para más temas... Ie, léanlos de verdad.