Memoria, Datos y Direccionamiento

Transcripción

1 Memoria, Datos y Direccionamiento Lección 2 Ing. Jorge Castro-Godínez MT7003 Microprocesadores y Microcontroladores Área de Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 1 / 40

2 Contenido 1 Introducción Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 2 / 40

3 HW: Perspectiva Lógica CPU Memory Bus Disks Net USB Etc. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 3 / 40

4 HW: Perspectiva Semi-Lógica Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 4 / 40

5 HW: Perspectiva Física Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 5 / 40

6 Registros del CPU Existe una cantidad fija de registros en un CPU. Registros almacenan datos / información. Existe una caché-i en el CPU para almacenar instrucciones recientemente leídas. Si se ejecuta un lazo que se puede almacenar en la caché, el CPU trae estas instrucciones de memoria una sola vez y procede a ejecutarlas desde la caché. Registers Transparent (hardware-controlled) instruction caching Instruction Cache CPU Program-controlled data movement Memory Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 6 / 40

7 Rendimiento No se trata solo de la velocidad del CPU (clock rate). Los datos e instrucciones residen la memoria. Para ejecutar una instrucción, esta debe ser buscada y traida al CPU. Luego, los datos sobre los cuales la instrucción operará también se deben traer de la memoria al CPU. Ancho de banda entre CPU y Memoria puede limitar el rendimiento Cómo mejora el rendimiento? 1 Mejoras en HW para incrementar el ancho de banda de la memoria, e.g., DDR DDR2 DDR3 2 Mover menos datos hacia/desde el CPU, e.g., tener una memoria en el chip del CPU (memoria caché) Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 7 / 40

8 Representación binaria Representación numérica en base 2 E.g., se representa como o Implementación electrónica Facilidad para almacenar en elementos biestables ( qué es biestable?) Transmisión fiable en cables ruidosos e inexactos. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 8 / 40

9 Organización de HW CPU Register file PC ALU System bus Memory bus Bus interface I/O bridge Main memory USB controller Graphics adapter I/O bus Disk controller Expansion slots for other devices such as network adapters Mouse Keyboard Display Disk hello executable stored on disk Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 9 / 40

10 Codificación de valores Binario Byte = 8 bits (binary digits) E.g., = = = = Decimal Hexadecimal FF 16 Grupos de 4 bits. Byte = 2 dígitos hexadecimales. Caracteres de 0 9 y A - F FA1D37B 16 en código C: 0xFA1D37B 0xfa1d37b Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 10 / 40

11 Organización de la memoria en bytes (1) Cómo encontramos datos en memoria? Programas hacen referencia a direcciones Conceptualmente, un arreglo grande de bytes, cada uno con una dirección (índice, index) El Sistema Operativo (SO) provee un espacio de direcciones privado para cada proceso. Proceso = programa en ejecución + sus datos + su estado. Un programa puede modificar sus propios datos pero no los de otro. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 11 / 40

12 Organización de la memoria en bytes (2) Compilación y tiempo de ejecución controlan la ubicación de la memoria. Dónde se deben almacenar los diferente elementos de un programa? Todas las asignaciones dentro de un solo espacio de memoria. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 12 / 40

13 Palabras Las máquinas presentan tamaños de palabra. Determina el tamaño nominal de los datos de valor entero, incluye direcciones. Hace hace poco, la mayoría de las máquinas usadas presentaban palabras de 32 bits (4 bytes), x86. Limita el direccionamiento a 4 GB. Problema con aplicaciones que requieren de mucha memoria. Actualmente contamos con máquinas de 64 bits por palabra (8 bytes), x Potencial direccionamiento: 2 64 = 1, bytes (18 EB, exabytes). Backward-compatibility: soportar diferentes tamaños de palabra, múltiplos de potencias de 2. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 13 / 40

14 Organización de memoria orientada a palabra Direccionamiento de ubicaciones de bytes en memoria. Direccionamiento del primer byte de la palabra. Direccionamiento sucesivo de palabras por 4/8 bytes Dirección de las palabras 0, 1,..., 10? Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 14 / 40

15 Direcciones y punteros (1) Direccionamiento de ubicaciones de bytes en memoria. Una dirección es una ubicación en memoria. Un puntero es un objeto de dato que contiene una dirección Dirección 0004 almacena el valor 351 (15F 16 ). Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 15 / 40

16 Direcciones y punteros (2) Direccionamiento de ubicaciones de bytes en memoria. Puntero a la dirección 0004 almacenado en la dirección 001C. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 16 / 40

17 Direcciones y punteros (3) Direccionamiento de ubicaciones de bytes en memoria. Puntero a la dirección 0004 almacenado en la dirección 001C. Puntero a un puntero en Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 17 / 40

18 Direcciones y punteros (4) Direccionamiento de ubicaciones de bytes en memoria. Puntero a la dirección 0004 almacenado en la dirección 001C. Puntero a un puntero en Dirección 0014 almacena el valor 0C 16, es esto un puntero?. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 18 / 40

19 Representación de datos Tamaño de objetos, en bytes. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 19 / 40

20 Ordenamiento de bytes Cómo deben ordenarse los bytes dentro de una palabra de múltiples bytes? E.g., se desea almacenar la palabra de 4 bytes 0xaabbccdd, en qué orden se deben almacenar los bytes? Endianness: big endian vs. little endian. Dos convenciones diferentes, usadas por diferentes arquitecturas. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 20 / 40

21 Ejemplo de ordenamiento Big endian (PowerPC, SPARC, 68k) Big end first: byte más significativo tiene la dirección más baja. Little endian (x86, x86-64) Little end first: byte menos significativo tiene la dirección más baja. E.g., valor 0x almacenado en la dirección 0x100 Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 21 / 40

22 Representación de enteros int A = 12345; int B = ; long int C = 12345; Decimal: Binary: Hex: > 0x Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 22 / 40

23 Direcciones y punteros en C (1) & = dirección del valor * = valor en la dirección o dereference Declaración de variables int x, y Encuentra dos posiciones en memoria en donde se almacenan 2 enteros, de 1 palabra cada uno. Declaración de punteros usando * int *ptr Declara una variable ptr como puntero a un dato que es un entero. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 23 / 40

24 Direcciones y punteros en C (3) Asignación a un puntero ptr = &x Asigna a ptr que apunte a la dirección donde x está almacenado. Para usar el valor apuntado por un puntero se usa dereference Dado un puntero, podemos obtener el valor al que apunta usando el operador * *ptr es el valor en la dirección de memoria dado por el valor de ptr Por ejemplo: Si ptr = &x, entonces y = *ptr + 1 y = x +1 Si ptr = &y, entonces y = *ptr + 1 y = y +1 A qué es equivalente *(&x)? Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 24 / 40

25 Direcciones y punteros en C (4) Aritmética de punteros ptr = ptr + 1 Realmente suma 4, el tipo de dato de ptr es int. Cambia el valor que originalmente se estaba apuntando, al siguiente elemento en memoria Puede que haya un valor o no, esto es peligroso! Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 25 / 40

26 Asignación en C (1) Left-hand-side = right-hand-side LHS debe evaluar una posición en memoria, una variable. RHS debe evaluar un valor, puede ser una dirección. E.g., x en la ubicación 0x04, y en 0x18 x originalmente 0x00, y 0x3CD02700 Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 26 / 40

27 Asignación en C (2) E.g., x en la ubicación 0x04, y en 0x18 x originalmente 0x00, y 0x3CD02700 int x,y x = y + 3, obtener el valor en y, sumar 3, colocarlo en x. Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 27 / 40

28 Asignación en C (3) E.g., x en la ubicación 0x04, y en 0x18 x originalmente 0x00, y 0x3CD02700 int *x; int y x = &y + 3, qué sucede acá? Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 28 / 40

29 Asignación en C (4) E.g., x en la ubicación 0x04, y en 0x18 x originalmente 0x00, y 0x3CD02700 int *x; int y x = &y + 3 Se toma la dirección de y, se le suma 12 0x x000C = 0x0024 Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 29 / 40

30 Asignación en C (5) E.g., x en la ubicación 0x04, y en 0x18 x originalmente 0x00, y 0x3CD02700 int *x; int y x = &y + 3 *x = y El valor de y se copia en la ubicación apuntada por x Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 30 / 40

31 Arreglos (1) Los arreglos representan ubicaciones adyadcentes en memoria, en las cuales se almacenan los mismos tipos de datos. E.g., int big array[128]; Asigna 512 bytes adyadcentes en memoria, suponiendo una dirección inicial en memoria 0x00ff0000 Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 31 / 40

32 Arreglos (2) Aritmética de punteros se puede realizar para realizar indexación de arreglos en C En general: &big array[i] (big array + i), lo cual impĺıcitamente calcula: &big array[0] + i*sizeof(big array[0]) Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 32 / 40

33 Representación de caracteres En C se representa como un arreglo de bytes Cada byte representa un caracter tipo ASCII Un byte 0 denota el fin del arreglo. 32 space P 96 ` 112 p 33! A 81 Q 97 a 113 q B 82 R 98 b 114 r 35 # C 83 S 99 c 115 s 36 $ D 84 T 100 d 116 t 37 % E 85 U 101 e 117 u 38 & F 86 V 102 f 118 v G 87 W 103 g 119 w 40 ( H 88 X 104 h 120 x 41 ) I 89 Y 105 I 121 y 42 * 58 : 74 J 90 Z 106 j 122 z ; 75 K 91 [ 107 k 123 { 44, 60 < 76 L 92 \ 108 l = 77 M 93 ] 109 m 125 } > 78 N 94 ^ 110 n 126 ~ 47 / 63? 79 O 95 _ 111 o 127 del Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 33 / 40

34 Cadenas terminadas en null La cadena Harry Potter puede ser almacenada en un arreglo de 13 bytes H a r r y P o t t e r \0 Por qué colocar un 0, o null zero para terminar la cadena? string[12] = \0 Cómo se puede calcular el largo de la cadena? Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 34 / 40

35 Representación de datos (1) Código para imprimir el byte que presenta un dato. Cualquier tipo de dato puede ser tratado como un arreglo de bytes. Es requerido hacer un casting a tipo char. void show_bytes(char *start, int len) { int i; for (i = 0; i < len; i++) printf("%p\t0x%.2x\n", start+i, *(start+i)); printf("\n"); } void show_int (int x) { show_bytes( (char *) &x, sizeof(int)); } Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 35 / 40

36 Representación de datos (2) int a = 12345; // represented as 0x printf("int a = 12345;\n"); show_int(a); // show_bytes( (byte *) &a, sizeof(int)); int a = 12345; 0x7fff6f330dcc 0x39 0x7fff6f330dcd 0x30 0x7fff6f330dce 0x00 0x7fff6f330dcf 0x00 Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 36 / 40

37 Operaciones a nivel de bit en C Operadores bit a bit (bitwise) &,,~,^, están disponibles en C. Aplicados a cualquier tipo de dato integral Argumentos son tratados como vectores de bits Operaciones se aplican bit a bit. char a, b, c; a = (char)0x41; b = ~a; a = (char)0; b = ~a; a = (char)0x69; b = (char)0x55; c = a & b; // 0x41 -> // > 0xBE // 0x00 -> // > 0xFF // 0x41 -> // 0x55 -> // > 0x41 Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 37 / 40

38 Operaciones lógicas en C Comportamiento 0 es visto como falso (false) Cualquier otra cosa, no cero, es verdadero, (true) Siempre retorna 0 o 1 Terminación temprana (&& y )!0x41 -->!0x00 --> 0x69 && 0x55 --> 0x00 && 0x55 --> 0x69 0x55 --> 0x00 0x01 0x01 0x00 0x01 p && *p++ ( if (p) { *p++; } Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 38 / 40

39 Representación y manipulación de conjuntos (1) Vectores de bits pueden ser usados para representar conjuntos. Un vector de bits de ancho w representa un subconjunto de 0,..., w 1 Cada bit del vector representa la presencia (1) o ausencia (0) de un elemento del conjunto (set) Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 39 / 40

40 Representación y manipulación de conjuntos (2) Operaciones: Jorge Castro-Godínez Memoria, Datos y Direccionamiento 40 / 40