Soluciones de los ejercicios sobre instrucciones y direccionamiento

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1 Soluciones de los ejercicios sobre instrucciones y direccionamiento Siguiente: Soluciones de los ejercicios sobre periféricos y ADM Padre: Materiales didácticos Inicial: Fundamentos de ordenadores 1 Con direccionamiento indexado resulta DE = (CD)+(X) = (CD)+(CP), es decir, relativo a programa. Por ejemplo: [15] LD.A,/5[.X] ; al final del ciclo de lectura de la ; instrucción, (CP) se incrementa, y ; cuando la UCP calcula la dirección efectiva, ; (X) = (CP) = 16; DE = 5+16=21 o: [15] BR /5[.X] ; bifurca a 5+16 = 21 Modificar (X) sería lo mismo que bifurcar: LD.X,#3 es equivalente a BR /3 La utilidad es la del modo relativo a programa. Si, por ejemplo, queremos bifurcar a una instrucción que está diez direcciones más adelante podemos hacerlo con BR /9[.X]. Si esta instrucción está en la dirección 1.500, bifurcará a ; si está en 4.000, bifurcará a Para hacer posible que la instrucción referencie una dirección anterior a la suya, la máquina puede diseñarse para que (CD) se interprete como un número con signo (6 bits: margen de -32 a +31, con convenio de complemento a 2). Esto es útil para las bifurcaciones que implementan bucles pequeños: [1230] BR /-31[.X] ; bifurca a = 1200 Para que el programador no tenga que estar contando el número de instrucciones que hay que saltarse, el ensamblador puede estar diseñado de modo que reconozca el direccionamiento relativo a programa ( $ delante de la etiqueta, o nada) y cuente: programa fuente: programa objeto: 1

2 [1200] ETI LD... [1200] [1230] BR ETI [1230] El ensamblador ha traducido así: (CO) = 011 = BR; (MD) = 010 (indexado); (CD) = B = D -31 Caso de autoincremento: En general, no está clara la utilidad, pero si (CD)=0, resulta un modo inmediato, con el operando en la palabra siguiente (la instrucción, junto con el operando, ocupa dos palabras): [d] LD.A,/0[.X++]; DE = d+1; X = CP se incrementa dos veces: ; una, por haber leído la instrucción; ; otra, por el modo de direccionamiento [d+1] 4000 ; la instrucción carga 4000 en AC y pasa a d+2 2 Operación Modo de direccionamiento Dirección efectiva Cargar el valor de una constante eninmediato un registro Recorrer una lista de datos almacenados en palabras consecutivas de la MP autoincremento la misma de la instrucción DE = (R); (R)+n R Bifurcar a una dirección cercana relativo a programa DE = (CP) + (CD) Llamar a una rutina contenida en la ROM Acceder a un dato que está un determinado número de direcciones más allá de una dirección de partida dada Llamar a una rutina ubicada en otro módulo escrito por el usuario directo (poniendo en CD un valor numérico) indexado directo (poniendo una etiqueta como valor de CD) DE = (CD) DE = (CD) + (R) DE = (CD) 2

3 3 (A+B) C, o: AB+C A+B C, o: ABC + LD /A LD /A LD /B LD /B ADD LD /C LD /C MUL MUL ADD POP POP 4 CALL hace una operación push sobre la pila, introduciendo en ella el contenido de CP; RET hace un pop Si el convenio es que PP apunta a la cima, CALL: (PP)-k PP; (CP) (PP) RET: ((PP)) CP; (PP)+k PP Si el convenio es que PP apunta a la primera libre por encima de la cima, CALL: (CP) (PP); (PP)-k PP RET: (PP)+k PP; ((PP)) CP 5 (I0) (I1) 0 CP,RA;? 508 PP repetir siempre (MP[RA]) RI; (CP) + 1 CP si (CO) es CLR: 0 AC; (CP) RA... 3

4 (OCALL0) (OCALL1) (RET0) (RET1) /*otras instrucciones*/... CALL:? (PP)-1 PP,RA --? (CP) (RA) /*es decir, (CP) MP[RA]*/? (CD) CP,RA RET:? (PP) RA? ((RA)) CP /*es decir, (MP[RA]) CP*/ (PP)+1 PP /*esto puede hacerse aqui, en RET o en RET1*/? (CP) RA 6 En el supuesto a, cada una de las UCP ejecuta instrucciones en un tiempo que es la suma de los tiempos de ejecución para P1 y P2. Así, para la UCP U1 medimos una velocidad V 1 = /((1+10) 10-3 ) = , es decir, 1 MIPS. En el supuesto b, cada una de las UCP ejecuta instrucciones en un tiempo que es la suma de 9 veces el tiempo de ejecución para P1 más el tiempo de ejecución para P2. Así, para la UCP U1 medimos una velocidad V 1 = /((9 1+10) 10-3 ), que también resulta ser 1 MIPS. Repitiendo los cálculos para las cuatro UCP resulta, en MIPS: Supuesto a Supuesto b V1 11/11 = 1 19/19 = 1 V2 11/26 = 0,423 19/106 = 0,179 V3 11/41 = 0,268 19/49 = 0,388 V4 11/7 = 1,57 19/23 = 0,826 Es decir, para el supuesto a la UCP más rápida es U4, pero para el supuesto b la más rápida es U1 Conclusión:No se puede identificar a la más rápida ; los MIPS no son una medida fiable para comparar las prestaciones de distintas UCP. 4

5 7 a. La velocidad es V = F/CPI (medida en MIPS), donde F es la frecuencia de reloj (medida en MHz) y CPI el número medio de ciclos por instrucción: si se ejecutan I 1 instrucciones que requieren C 1 ciclos, I 2 instrucciones que requieren C 2 ciclos, etc., CPI = (I 1 C 1 + I 2 C )/ (I 1 + I ) Aplicando los datos, CPI A = ( )/( ) = 5/2 V A = 100/(5/2) = 40 MIPS CPI B = ( )/( ) = 5/4 V B = 100/(5/4) = 80 MIPS Es decir, en instrucciones ejecutadas por segundo el segundo compilador genera un programa que hace que la UCP sea el doble de rápida. b. Para calcular los tiempos reales de ejecución tenemos en cuenta el número total de ciclos de reloj para cada programa: C A = = ciclos T A = / = 0,4 segundos C B = = ciclos T B = / = 0,5 segundos Es decir, pese a dar el doble de MIPS, el segundo programa tarda más en ejecutarse. La explicación es fácil: tiene muchas más instrucciones, pero la mayoría son de un ciclo, lo que hace aumentar el número de MIPS. 5

6 8 a. desplazamiento: corresponde a lo que tradicionalmente se llama direccionamiento directo, o absoluto. Como la dirección está fijada en la instrucción, se puede usar para almacenar o acceder a operandos cuya dirección se asigna estáticamente (dirección relativa fijada en tiempo de traducción, y dirección absoluta en tiempo de carga) b. base: la dirección efectiva está contenida en el registro, es decir, es un modo indirecto a registro. Operandos cuya dirección se asigna dinámicamente (dirección calculada en tiempo de ejecución) c. base + desplazamiento: puede usarse para acceder a un elemento dentro de un array; el desplazamiento contendría la dirección del primer elemento del array, y en el registro de base (que en este caso actúa como un índice) se introduciría la dirección del elemento calculada relativamente al comienzo del array. O bien, y similarmente, para acceder a un elemento dentro de una estructura de registro (record) d. (factor índice) + desplazamiento: para acceder por su número a un elemento de un array que empieza en la dirección dada por el desplazamiento. El registro de índice contendrá el número de elemento, y se usará el factor de escala adecuado según que los elementos del array sean de 1, 2, 4 u 8 bytes e. base + índice + desplazamiento: puede servir para acceder a un campo de un registro dentro de un array de registros; por ejemplo, base es la dirección de comienzo del array, índice es el número del elemento (registro) multiplicado por el número de bytes de cada elemento, y desplazamiento es lo que hay que sumar para acceder al campo. O también, para accesos a arrays bidimensionales. f. base + (factor índice) + desplazamiento: para accesos más eficientes a arrays bidimensionales cuando los elementos son de 2, 4 u 8 bytes 9 La fórmula a aplicar es: base + (factor índice) + desplazamiento. Sólo tenemos que descodificar el byte SIB para ver qué registros actúan como base e índice y cuál es el factor: (SIB) = H 8A = B , es decir: factor de escala = B 10 (4) índice = B 001 (EBX) base = B 010 (ECX) Por tanto: DE = (ECX) + 4 (EBX) + (desplaz.) Aplicando los valores dados y operando en decimal: DE = = D 325 6

7 10 a. El número de byes viene indicado en el campo limit del GDTR. Como tiene 16 bits, el número máximo de bytes es 2 16 = bytes b. El número del descritor está contenido en el campo Index del selector. Como tiene 13 bits, GDT puede contener hasta 2 13 = descriptores (congruente con lo anterior, puesto que cada descriptor tiene 8 bytes) c. El tamaño máximo de un segmento está determinado por los 20 bits del campo limit de su descriptor, que dan la longitud del segmento en bytes si G = 0 o en unidades de 4 KB si G = 1. Por tanto, si en el descritor del segmento es G = 0, el tamaño máximo es 2 20 = 1 MB; si G = 1, el tamaño máximo es 2 20 unidades de 4 KB, es decir, = 4 GB d. De acuerdo con el formato del registro GDTR, la dirección de base de la tabla GDT es H , y su extensión (limit) es H 00FF = 255 (es decir, puede contener 256/8 = 32 descriptores de segmento) (DS) = H 001A = B De acuerdo con el formato del registro DS, index = 3; TI = 0 (se selecciona GDT); RPL = 2 La dirección del descriptor dentro de la GDT es 8 index = 24 = H 18, y ésta es la dirección en memoria del descritor del segmento, puesto que la dirección de base de la tabla es 0 Teniendo en cuenta lo dicho sobre los contenidos de memoria, el contenido del descritor del segmento será el indicado en esta figura: De aquí resulta: Como G = 0, el tamaño del segmento se mide en bytes, y es: H E1918 = bytes La dirección de base del segmento es H 1F1C1B1A = e. Con todo esto ya se puede responder a las dos preguntas: La primera es trivial: dirección final = dirección de base del segmento + offset = = La respuesta a la segunda no es tan evidente. En la figura anterior podemos ver que DPL = 0, es decir, el acceso a este segmento requiere el máximo privilegio. No sabemos cuál es el nivel de privilegio del programa en el que está la instrucción (no conocemos el contenido del registro CS), 7

8 que debería ser también 0 para que el acceso fuese posible, pero sí conocemos el contenido de DS, y vemos que RPL = 2. Por tanto, aunque el programa tuviese el máximo privilegio, para este acceso está rebajado al nivel 2, de donde deducimos que este acceso sería imposible. La UCP generaría la interrupción correspondiente f. El objetivo principal de los registros de segmento en el 8086 era ampliar el espacio de direccionamiento de los 64 KB (16 bits) del 8080 a 1 MB (20 bits). Adicionalmente, con los cuatro registros de segmento que tenía se facilitaba una separación en la memoria entre los segmentos de código (programa), datos y pila. Pero no había nada previsto en el hardware para facilitar la protección de unos procesos frente a otros. La estructura de datos intermedia llamada descriptor del segmento proporciona esos mecanismos de protección (que aprovecha el sistema operativo): tamaño máximo de los segmentos (campo limit ), opciones de sólo lectura, sólo ejecución, etc. (campo type ) y niveles de privilegio (campo DPL del descriptor y campos RPL de los registros de segmento) g. El gran inconveniente es que como las tablas de descritores, que pueden ser muy grandes (hasta 64 KB la GDT, como hemos visto), están en memoria, los accesos a memoria se multiplican. Todo acceso a una dirección implica leer previamente el descriptor, es decir, dos accesos adicionales (dos palabras). En MIPS, la velocidad se dividiría por tres. La solución es muy sencilla (una vez que se conoce). Aunque el número total de segmentos (y, por tanto, de descriptores) pueda ser muy grande (más de sólo en la tabla GDT), en un momento determinado sólo hay seis segmentos activos : los determinados por los contenidos de los seis registros de segmento. La renovación de esos segmentos (la carga con un nuevo valor de uno o varios registros de segmento) no es muy frecuente: sólo tiene lugar cuando la UCP cambia de tarea (debido a una interrupción que hace pasar al sistema operativo, y a la salida del sistema operativo para ejecutar otra tarea) y cuando se ejecuta una instrucción de transferencia de control (bifurcación, llamada a subprograma, etc.) lejana, es decir a una instrucción que está en otro segmento. Por tanto, pueden mantenerse en la UCP copias de los descriptores de segmento que se estén utilizando, y de ese modo no harán falta accesos adicionales a la memoria. De hecho, los seis registros de segmento tienen en realidad dos partes: una visible (los 16 bits que forman el selector: index + TI + RPL) y otra escondida, en la que está la copia del descriptor: Cuando se carga un nuevo valor (un nuevo descriptor) en un registro de segmento la UCP se encarga (de manera transparente al programador) de cargar la copia de su descriptor en la parte escondida. Al ser copias de informaciones en memoria, las partes escondidas constituyen un tipo de memoria 8

9 oculta (cache) 11 a. Los modos relativos sólo permiten transferencias de control dentro del segmento en el que se encuentra la instrucción. Las bifurcaciones o llamadas a subprogramas que estén en otro segmento necesitan de otro modo de direccionamiento. Se usan distintas instrucciones para cada caso. Las transferencias dentro del mismo segmento se llaman cercanas, y a otro segmento lejanas b. En una CALL cercana se guarda, como siempre, el contenido del contador de programa. En una CALL lejana se guarda también el contenido del registro CS, pero sólo la parte visible: la parte escondida se recargará con el descriptor de segmento cuando se ejecute la correspondiente RET, que recupera de la pila los valores del contador de programa y de CS. Naturalmente, hay dos versiones de RET, una cercana y otra lejana Siguiente: Soluciones de los ejercicios sobre periféricos y ADM Padre: Materiales didácticos Inicial: Fundamentos de ordenadores 9