ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA A DE COMPUTADORES

Transcripción

1 Universidad Rey Juan Carlos ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA A DE COMPUTADORES Repertorio de instrucciones y modos de direccionamiento: conceptos básicos Luis Rincón Córcoles Licesio J. Rodríguez-Aragón Programa 1. Introducción. 2. Tipos de instrucciones. 3. Propiedades de las instrucciones. 4. Formatos de instrucción. 5. Modos de direccionamiento. 6. Medidas de evaluación de instrucciones y programas. 7. Clasificación de los computadores según su repertorio de instrucciones. 2

2 Bibliografía D.A. PATTERSON, J.L HENNESSY. Estructura y diseño de computadores. Reverté, P. DE MIGUEL. Fundamentos de los computadores. 7ª edición, Paraninfo, C. CERRADA, V. FELIU. Estructura y Tecnología de Computadores I. UNED, 1993 W. STALLINGS. Organización y Arquitectura de Computadores. 5ª edición, Prentice-Hall, M /16/32 Bit Microprocessors User s Manual. 9 th edition. Motorola, Motorola M68000 Family Programmer s Reference Manual. Motorola, A. CLEMENTS. Microprocessor Systems Design. 3 rd edition, ITP - PWS Publishing Company, J. SEPTIÉN, H. MECHA, R. MORENO, K. OLCOZ. La familia del MC Síntesis, Introducción Funcionamiento de un computador: ejecución continua de instrucciones. Fases en un ciclo de instrucción: 1. Lectura de la instrucción en memoria. 2. Decodificación de la instrucción. 3. Ejecución de la instrucción. 4. Ciclo de interrupción. El único lenguaje que un computador es capaz de comprender, interpretar y ejecutar es el lenguaje máquina. El lenguaje máquina está íntimamente ligado a la arquitectura interna del computador. 4

3 Repertorios de instrucciones Programar en lenguaje máquina requiere: Tener en mente una imagen física de los registros y la memoria de la máquina. Conocer las operaciones realizadas por las instrucciones y su sintaxis. Conocer las formas de referenciar a los datos utilizados (modos de direccionamiento). Conocer los tamaños de las instrucciones y de los datos. Repertorio o juego de instrucciones de un computador: conjunto de instrucciones de máquina que es capaz de ejecutar. El repertorio de instrucciones de un computador debe ser: Completo: debe permitir resolver cualquier problema. Eficaz: los programas deben ser ejecutados en un tiempo razonable Tipos de instrucciones 1. Transferencia de datos: MOVE, LOAD, STORE Dos operandos: fuente y destino 2. Aritméticas: ADD, SUB, MUL, DIV, EXT, NEG Dos operandos fuente y uno destino (que puede ser uno de los fuentes) 3. Lógicas: AND, OR, NOT, XOR Dos operandos fuente y uno destino (que puede ser uno de los fuentes) 4. Comparación: CMP Comparan operandos y actualizan el registro de estado Se utilizan normalmente antes de las bifurcaciones 5. Modificación de la secuencia de ejecución del programa Ramificaciones incondicionales: BRA desp Saltos incondicionales: JMP dirección Ramificaciones condicionales: Bcc desp - bifurcar si se cumple la condición cc Saltos condicionales: Jcc desp saltar si se cumple la condición cc Ramificaciones con retorno: BSR desp Saltos con retorno: JSR dirección Retorno de subrutina: RTS, RTE, RTR 6

4 Tipos de instrucciones 6. Desplazamientos: SHIFT Hay que indicar el dato y la longitud del desplazamiento Aritméticos: ASL, ASR Lógicos: LSL, ASR Circulares (rotaciones): ROL, ROR, ROXL, ROXR 7. Instrucciones de bit Hay que indicar el dato y la posición del bit. Testear: BTST Poner a 0: BCLR Poner a 1: BSET Invertir: BCHG 8. Instrucciones de entrada/salida: INPUT, OUTPUT Transferencias entre puertos de E/S y registros o memoria. 9. Misceláneas WAIT, STOP: parar la ejecución hasta la llegada de una interrupción. HALT: parar el procesador. NOP: no operación, permite temporizar esperas Propiedades de las instrucciones 1. Las instrucciones realizan una función única y sencilla. 2. Las instrucciones emplean un número fijo de operandos en una representación determinada. Un repertorio de instrucciones requiere especificar: Operaciones que se realizan Representación de los datos Modos de direccionamiento Formato de instrucciones: codificación de las instrucciones en binario. 8

5 4. Formatos de instrucción Formato de instrucción: representación en binario de la misma. El formato de instrucción especifica el significado de cada uno de los bits que constituyen la instrucción. Longitud del formato de instrucción: número de bits que lo componen. La información contenida en el formato de la instrucción es: Código de operación. Dirección de los operandos. Dirección del resultado. Dirección de la siguiente instrucción (casi siempre implícita). Tipos de representación de los operandos (casi siempre implícitos en el código de operación). 9 Formatos de instrucción Para simplificar su codificación y decodificación, el formato se divide en campos: CO MD OP1 OP2 RES Código de operación (CO). Modificador (MD): suele completar al CO, y sirve para especificar ciertas particularidades de la instrucción: Tamaño y tipo de los operandos. A veces se usa para distinguir entre operaciones similares. Operandos (OPi) y resultado (RES). 10

6 Formatos de instrucción: características Un computador contendrá instrucciones con diferentes formatos (= no todas las instrucciones del repertorio de un computador tienen el mismo formato). Un computador dispone de pocos formatos de instrucción diferentes para simplificar su decodificación. Los formatos son sistemáticos: campos del mismo tipo suelen ocupar la misma longitud y la misma posición. El código de operación: Permite distinguir entre los distintos formatos de instrucción de un computador. Indica la longitud y formato de los operandos (a veces en campos modificadores asociados al mismo). Las longitudes de los formatos son fracción o múltiplo del tamaño de la palabra del computador. Para acortar la longitud de los formatos se utiliza direccionamiento implícito: ninguna instrucción, salvo las de salto o bifurcación, contiene la dirección de la siguiente instrucción que se va a ejecutar Modos de direccionamiento Los operandos no suelen estar contenidos en la instrucción de forma directa por: Ahorro de espacio. Empleo de código reubicable y reentrante. Hay datos formando estructuras más o menos complejas. Los operandos pueden ubicarse en los siguientes lugares: Dentro de la propia instrucción (operandos inmediatos): En el registro de instrucción. En palabras de extensión o ampliación. En registros visibles para el programador. En variables ubicadas en posiciones de memoria. Dirección efectiva de un operando: ubicación exacta del mismo. Los operandos pueden ser referenciados desde la instrucción de múltiples formas, dando lugar a los modos de direccionamiento. 12

7 Modos de direccionamiento Modo de direccionamiento: mecanismo que permite conocer la ubicación de un objeto (dato o instrucción). Un computador debe disponer de varios modos de direccionamiento. No todos los modos de direccionamiento están implementados en todos los computadores. Los modos de direccionamiento disponibles están determinados por la arquitectura interna de la máquina y por el repertorio de instrucciones. Dentro de una misma máquina, pueden existir limitaciones en la utilización de los modos de direccionamiento en las distintas instrucciones. Ejemplo: un dato inmediato no puede ser operando destino. Repertorio de instrucciones ortogonal: permite utilizar prácticamente todos los modos de direccionamiento como operandos en la mayoría de las situaciones. 13 Modos de direccionamiento Cada campo de operando en una instrucción contiene información acerca del modo de direccionamiento empleado para acceder a él Subcampos del modo de direccionamiento: Modo Registro CD Modo: especifica el modo de direccionamiento Ocupa pocos bits. Registro: indica el registro involucrado en el direccionamiento Ocupa pocos bits. CD: puede contener un operando inmediato, una dirección o un desplazamiento Suele ocupar bastante espacio. 14

8 6. Medidas de evaluación Las instrucciones se evalúan según varias medidas: Su longitud Medida en número de palabras o de bytes. El tiempo que tardan en completarse Puede medirse en tiempo o en número de ciclos de reloj. Su frecuencia de utilización. Los programas se evalúan según muchas medidas, algunas de las cuales son las siguientes: Su longitud. Medida en número de instrucciones, de palabras o de bytes. El tiempo de ejecución. Medido en tiempo o en número de ciclos de reloj. El número de instrucciones ejecutadas, sus tipos y su frecuencia de utilización. El número de ciclos de reloj por instrucción (CPI). El número de accesos a memoria realizados en su ejecución. Lecturas de instrucciones Accesos de lectura o escritura de datos Clasificación de los computadores No todos los modos de direccionamiento están disponibles en todos los computadores. Según el tipo de los operandos utilizados en su repertorio de instrucciones, los computadores pueden ser de diferentes tipos: Máquinas de pila. Máquinas de acumulador. Máquinas de memoria-memoria. Máquinas de registros de propósito general. Máquinas de registro-registro. Máquinas de registro-memoria. 16

9 Máquinas de pila La UCP no contiene registros de propósito general, sino una pequeña memoria implementada como una pila que utiliza para almacenar datos temporales y evaluar expresiones. Para utilizar un dato (variable o constante) en una expresión, es preciso insertarlo previamente en la pila. PUSH variable Para almacenar una variable en memoria, habrá que extraerla de la cima de la pila. POP variable Operandos en instrucciones aritméticas y lógicas: 2 operandos origen, que se toman siempre de la cima de la pila (son extraídos de ella). 1 operando destino, que se inserta en la cima de la pila. Los tres operandos son implícitos. 17 Máquinas de pila: ejemplo Escribir un fragmento de programa para evaluar la expresión A=B/C+D*E A,B,C,D y E son variables en memoria. PUSH B PUSH C DIV PUSH D PUSH E MUL ADD POP A Insertar el contenido de la variable B en la pila Insertar el contenido de la variable C en la pila Dividir B entre C y guardar resultado en la pila Insertar el contenido de la variable D en la pila Insertar el contenido de la variable E en la pila Multiplicar D*E y guardar resultado en la pila Sumar B/C con D*E Almacenar el resultado en la variable A 18

10 Máquinas de acumulador La UCP no contiene registros de propósito general, sino un acumulador que almacena el resultado de la última operación aritmética realizada. Operandos en instrucciones aritméticas y lógicas: 2 operandos origen, uno está en el acumulador y el otro está en memoria. 1 operando destino, que siempre es el acumulador. El acumulador es un operando implícito. 19 Máquinas de acumulador: ejemplo Escribir un fragmento de programa para evaluar la expresión A=B/C+D*E A,B,C,D y E son variables en memoria. LOAD B Cargar el contenido de la variable B en el acumulador DIV C Dividir B/C (resultado en el acumulador) STORE TEMP Guardar el cociente en una variable temporal LOAD D Cargar el contenido de la variable B en el acumulador MUL E Multiplicar D*E (resultado en el acumulador) ADD TEMP Sumar B/C con D*E (resultado en el acumulador) STORE A Almacenar el contenido del acumulador en la variable A 20

11 Máquinas de memoria-memoria No tienen registros de propósito general. Usan tres operandos explícitos, todos ellos variables residentes en memoria. Ejemplo: escribir un fragmento de programa para evaluar la expresión A=B/C+D*E A,B,C,D y E son variables en memoria. Supondremos que los dos primeros operandos son los fuentes y el tercero es el destino. DIV B,C,TMP1 Dividir B/C (resultado en variable temporal) MUL D,E,TMP2 Multiplicar D*E (resultado en variable temporal) ADD TMP1,TMP2,A Sumar B/C con D*E (resultado en variable A) 21 Máquinas de registros de propósito general Tienen un número variable de registros de propósito general para almacenar datos temporales y resultados de cálculos intermedios. A este tipo pertenecen la mayoría de las máquinas modernas. Tipos de máquinas de registros de propósito general: Máquinas de registro-memoria. Máquinas de registro-registro (máquinas de carga-almacenamiento). 22

12 Máquinas de registro-memoria Las instrucciones aritméticas y lógicas normalmente tienen dos operandos explícitos, uno en registro y el otro en un registro o en memoria Uno de los operandos actúa a la vez como fuente y destino (casi siempre un registro). Estas máquinas no suelen contar con demasiados registros de propósito general (8 ó 16). 23 Máquinas de registro-memoria: ejemplo Escribir un fragmento de programa para evaluar la expresión A=B/C+D*E A,B,C,D y E son variables en memoria. Supondremos que el segundo operando debe ser un registro y es a la vez fuente y destino, salvo en instrucciones de transferencia. MOVE B,R1 DIV C,R1 MOVE D,R2 MUL E,R2 ADD R1,R2 MOVE R2,A Cargar el contenido de la variable B en un registro Dividir B/C Cargar el contenido de la variable D en un registro Multiplicar D*E Sumar B/C con D*E Almacenar el resultado en la variable A 24

13 Máquinas de registro-registro Las instrucciones aritméticas y lógicas tienen tres operandos explícitos, los tres residentes en registros. En estas instrucciones el segundo operando fuente puede ser un dato inmediato. Para usar una variable residente en memoria, siempre hay que cargarla previamente en un registro. LOAD variable,registro Para guardar un resultado en una variable, siempre hay que realizar un almacenamiento. STORE registro,variable Estas máquinas cuentan con no menos de 32 registros de propósito general. 25 Máquinas de registro-registro: ejemplo Escribir un fragmento de programa para evaluar la expresión A=B/C+D*E A,B,C,D y E son variables en memoria. Supondremos que el primer operando es el destino, y los dos siguientes son los fuentes. LOAD B,R1 LOAD C,R2 DIV R3,R1,R2 LOAD D,R4 LOAD E,R5 MUL R6,R4,R5 ADD R7,R3,R6 STORE R7,A Cargar el contenido de la variable B en un registro Cargar el contenido de la variable C en un registro Dividir B/C Cargar el contenido de la variable D en un registro Cargar el contenido de la variable E en un registro Multiplicar D*E Sumar B/C con D*E Almacenar resultado en la variable A 26