Estructura y Tecnología de Computadores. Módulo C. Arquitectura del procesador. Tema 4. Modos de direccionamiento y tipos de datos

Transcripción

1 1 Estructura y Tecnología de Computadores Módulo C. Arquitectura del procesador Tema. Modos de direccionamiento y tipos de datos José Manuel Mendías Cuadros Dpto.. Arquitectura de Computadores y Automática Universidad Complutense de Madrid 2 contenidos 1. Organización de la información en memoria Organización de la memoria. Alineamiento. Ordenamiento 2. Tipos de datos Contenidos de la memoria. Caracterización de los tipos de datos. Representación de datos numéricos: enteros, reales y decimales. Representación de caracteres. Representación de información lógica o booleana. 3. Registros y pila de la arquitectura Registros principales. Códigos de condición. Pila del sistema. Modos de direccionamiento Definición. Modos de direccionamiento simples. Modos de direccionamiento complejos 5. Aplicaciones de los modos de direccionamiento Acceso a variables atómicas. Acceso a elementos de un array. Primitivas de pila NOTA: al final del tema 3, se estudiarán algunos ejemplos de los modos de direccionamiento utilizados en procesadores comerciales

2 3 introducción El funcionamiento de un computador está determinado por las instrucciones que ejecuta. El área que estudia las características de ese conjunto de instrucciones se denomina arquitectura del procesador o arquitectura del repertorio de instrucciones y engloba los siguientes aspectos: Formato de los datos Tipos de datos que puede manipular el computador a nivel de lenguaje máquina Registros de la arquitectura Conjunto de registros visibles al programador (de datos, direcciones, estado, PC) Modos de direccionamiento Forma de especificar la ubicación de los datos y modos para acceder a ellos Repertorio de instrucciones Operaciones que se pueden realizar y sobre qué tipos de datos actúan Formato de instrucción Descripción de las diferentes configuraciones de bits que adoptan las instrucciones máquina Organización de la memoria (*) Los datos e instrucciones que manipula un programa se almacenan en la memoria Temporalmente se pueden almacenar datos en los registros de la CPU para su manipulación: el acceso a un registro es mucho más rápido que el acceso a memoria Eventualmente pueden solicitarse datos a los dispositivos de E/S Organización de la memoria en palabras La memoria se organiza en grupos de n bits llamados palabras de memoria El ancho de palabra suele coincidir con el número de bits utilizados para representar números. Los computadores actuales utilizan anchos de palabra entre 16 y 6 bits Cada palabra de memoria tiene asignado un identificador llamado dirección de memoria El rango de direcciones de memoria es un número entre y Esas 2 k direcciones distintas constituyen el espacio de direcciones del computador Para especificar una dirección dentro de ese rango se necesitan k bits de dirección EJEMPLO 1. organización de la información en memoria Computador de 32 bits con 16 Mbytes de memoria Ancho de palabra: 32 bits ( bytes) Nº de palabras en memoria: M palabras (2 22 ) Espacio de direcciones: 2 22 palabras Nº de bits de dirección necesarios: 22 (*) Desde el punto de vista del programador Dirección 1 i n bits Palabra Palabra 1 Palabra i Palabra

3 5 1. organización de la información en memoria Sin embargo, es posible que la arquitectura permita una mayor resolución en la información que es individualmente direccionable: Se llama unidad direccionable, a la mínima cantidad de información que tiene una dirección única Es común que en un computador de ancho de palabra 16, 32 ó 6 bits, el tamaño de la unidad direccionable sea de 1 byte (8 bits) Cuando el ancho de palabra y tamaño de la unidad direccionable no coinciden aparecen 2 problemas: Alineamiento: cómo relacionar las direcciones de las palabras con las direcciones de las unidades direccionables Ordenamiento: cómo repartir el contenido de una palabra en un conjunto consecutivo de unidades direccionables Alternativas de alineamiento Palabras no alineadas: permitir que una palabra tenga cualquier dirección El interfaz de memoria debe secuenciar los accesos (ya que podrán requerirse varios para obtener la información) Palabras alineadas: limitar las direcciones de palabra según su tamaño Los bytes en cualquier dirección, las palabras de 16 bits en direcciones pares, las de 32 bits en direcciones múltiplos de... Se desperdicia memoria Dirección del byte k - 2 k -3 2 k -2 palabras alineadas Dirección del byte k - 2 k -3 2 k -2 palabras no alineadas 6 1. organización de la información en memoria Alternativas de ordenamiento Big-Endian: los bytes se numeran comenzando por el menos significativo, una palabra tiene la misma dirección que su byte más significativo Little-Endian: los bytes se numeran comenzando por el más significativo, una palabra tiene la misma dirección que su byte menos significativo Palabra Palabra Dirección del byte Palabra 2 k - 2 k - 2 k -3 2 k -2 Big-Endian Palabra Palabra Dirección del byte Palabra 2 k - 2 k -2 2 k -3 2 k - Queremos almacenar en la dirección 18, el número codificado en BCD: 1 dígito BCD ocupa bits 2 dígitos BCD por byte: la memoria es direccionable por bytes Big-Endian: Little-Endian Big-endian orden coherente facilita la ordenación y el volcada Little-endian facilita la aritmética facilita las conversiones de tamaño Little-Endian:

4 7 2. tipos de datos Contenidos de la memoria El contenido de una palabra de memoria es una colección de s y 1 s Es el computador el encargado de interpretar lo que representa en cada momento Depende de cómo se interprete esa palabra, ésta puede representar: Datos Numéricos Enteros (Magnitud y signo, C 1, C 2,...) Reales (Punto fijo, Punto flotante,...) Decimales (BCD, Exceso-3,...) Booleanos o lógicos TRUE, FALSE Caracteres Letras, dígitos decimales, signos puntuación Representación más común: ASCII Instrucciones Código de operación + Información de direccionamiento EJEMPLO En una palabra de memoria de 32 bits se puede codificar a) Un número entero entre -(2 31-1) y +(2 31-1) codificado mediante magnitud y signo b b b 1 b Bit de signo b 31 = para nos positivos b 31 = 1 para n os negativos Magnitud = b 3 x b 1 x2 1 + b x2 b) 32 dígitos Booleanos o lógicos b b b 1 b b k = FALSE b k = 1 TRUE k 31 c) Cuatro caracteres ASCII 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits Carácter Carácter Carácter ASCII ASCII ASCII d) Una instrucción máquina 8 bits 2 bits Carácter ASCII Código de Operación Información de Direccionamiento 8 2. tipos de datos Caracterización de los tipos de datos Un tipo de datos es una sucesión de bits caracterizada por dos propiedades: Su dominio, que es el conjunto de valores que el dato puede tomar y depende de: El tipo de representación Limita el rango y la precisión El tamaño o número de bits utilizado para la representación Las operaciones que pueden realizarse sobre ese dato Se dice que una arquitectura soporta un determinado tipo de datos si Tiene asignada al menos una representación de ese tipo de datos Dispone de un conjunto de operaciones para manipular esa representación Tipos de datos Numéricos Enteros Reales Decimales Lógicos Caracteres Representaciones: Magnitud y signo C 1 C 2... Representaciones: Punto fijo Punto flotante... Representaciones: BDC Exceso-3... Representaciones: Compacto No compacto Representaciones: ASCII EBCDIC...

5 9 2. tipos de datos Representación de datos numéricos enteros Magnitud y signo (MS) Simétrico Dos representaciones para el cero: Rango (tamaño = n bits) -(2 n-1-1) x +(2 n-1-1) Complemento a 1 (C 1) Simétrico Dos representaciones para el cero: Rango (tamaño = n bits) -(2 n-1-1) x +(2 n-1-1) Complemento a 2 (C 2) No simétrico Una única representaciones para el cero Rango (tamaño = n bits) -(2 n-1 ) x +(2 n-1-1) Uso: cálculos exactos, variables de control, índices POSITIVOS NEGATIVOS Ejemplo (tamaño = bits) b 3 b 2 b 1 b MS C C Representación de datos numéricos reales 2. tipos de datos Punto fijo Un nº fijo de bits representa la parte entera y otro la decimal El punto decimal se coloca entre ambas partes en un lugar fijo El rango representable es muy limitado Puede utilizar aritmética entera Punto flotante Un número N se representan mediante un signo, una mantisa (M) y un exponente (E) N = ± M * B E La base es implícita y es común para todos los números No necesita almacenarse (normalmente B = 2) Existen multitud de asignaciones posibles de bits a la mantisa y al exponente Requiere de una aritmética propia Punto Fijo: Signo (1 bit) Parte entera (21 bits) Parte decimal (1 bits) b 31 b 3 b 1 b 9 b N = ± (b 3 *2 2 + b 29 * b 1 *2 + b 9 * b *2-1 ) Punto Flotante: Signo (1 bit) Exponente (8 bits) Mantisa (23 bits) b 31 b 3 b 23 b 22 b N = ± 1,M * 2 E Siendo E = (b 3 * b 23 *2 )

6 11 2. tipos de datos Representación de datos numéricos decimales Cada dígito decimal se codifica mediante un grupo de bits BCD: los dígitos decimales se codifican mediante su equivalente binario Exceso-3: los dígitos decimales se codifican sumando 3 a su equivalente binario Decimal BCD Exc Empaquetamiento Decimal empaquetado 2 dígitos decimales por byte Dig. 1º Dig. 2º Dig. 3º Dig. º Dig. 5º Dig. 6º Byte 1 Byte 2 Byte 3 Decimal no empaquetado 1 dígito decimal por byte X Dig. 1º X Dig. 2º X Dig. 3º Byte 1 Byte 2 Byte 3 Uso: Evitar el coste de conversión de base y evitar los problemas de redondeo que aparecen (por ejemplo:.3 (1) = (2) ) tipos de datos Representación de caracteres Los caracteres son necesarios para representación de la información escrita Letras del alfabeto (a, b,..., z, A, B,..., Z, á, é,..., ü,...) Signos de puntuación (, ; :.?! -) Caracteres numéricos (, 1,..., 9) Existen diversas alternativas de codificación (7 u 8 bits por carácter) ASCII EBCDIC Representación de información lógica o booleana Para representar información lógica se necesita un único bit TRUE = 1 FALSE = Representación compacta 8 dígitos booleanos por byte Necesidad instrucciones complejas para acceder al dato booleano Representación no compacta 1 dígito booleano por byte Instrucciones de acceso sencillas pero se desperdician 7 bits

7 13 3. registros y pila de la arquitectura Los principales registros son Contador de programa (PC, Program Counter ) Almacena la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar Cada vez que se accede a una instrucción se le suma una cantidad igual a la longitud de la misma Registro de estado (SR, Status Register ) Almacena códigos o bits de condición (Z, N, C, V, etc.) Son un conjunto de bits que se activan tras la ejecución de ciertas operaciones, en función del resultado de las mismas Se suelen utilizar en instrucciones de salto condicional, para saltar a una determinada dirección en función del resultado de una instrucción anterior También almacena otra información de estado (máscara interrupciones, bit de traza, etc.) Puntero de pila (SP, Stack Pointer ) Almacena la dirección de la cabecera de la pila del sistema Registros de datos o de propósito general (Di ó Ri) Se utilizan para almacenar datos del programa temporalmente También pueden usarse para direccionamiento y manipulación de direcciones Registros de direcciones (Ai) Se utilizan para para direccionamiento y manipulación de direcciones No siempre se distinguen de los registros de datos 1 Códigos de condición del registro de estado Bits de estado Z (cero) N (negativo) C (acarreo) V (desbordamiento) Pila del sistema 3. registros y pila de la arquitectura Significado Se activa siempre que el resultado una operación es cero (cero) Se activa siempre que el resultado una operación es negativo Se activa siempre que el resultado una operación produce acarreo (carry) Se activa siempre que el resultado una operación produce desbordamiento (overflow) Es una zona de memoria para almacenar datos y/o instrucciones de forma temporal El acceso a la pila es restringido Sólo se añadir o eliminar un elemento al final de la pila, llamado cabecera de la pila Funciona igual que una pila de objetos (p. ej. platos) en la que sólo se puede añadir o eliminar un objeto del final pero no de la mitad. También se llama memoria LIFO (Last-In-First-Out, o último que entra primero que sale) El puntero de pila es un registro que siempre apunta a la cabecera de la pila Se llaman base de la pila y límite de la pila a las direcciones tope por ambos lados de la pila Las operaciones básicas sobre una pila son: PUSH: para poner un nuevo elemento en la cabecera de la pila POP: para eliminar un elemento de la cabecera de la pila

8 15 Ejemplo de funcionamiento de la pila Por lo general la pila siempre crece en orden decreciente de direcciones de memoria La operaciones PUSH y POP pueden formar parte del repertorio de instrucciones, o bien pueden implementarse mediante dos instrucciones más simples: PUSH new_item 3. registros y pila de la arquitectura DECREMENT SP MOVE new_item, (SP) POP item MOVE (SP), item INCREMENT SP Situación inicial SP (Puntero de pila) PILA Operación PUSH SP PILA Operación POP (*) SP 32 PILA new_item 123 item 91 (*) POP a partir de la situación inicial 16. modos de direccionamiento Definición Forma de especificar la ubicación de los datos y modos para acceder a ellos Los datos que maneja una instrucción máquina pueden estar ubicados en: En la propia instrucción El está contenido en un campo de la propia instrucción máquina En un registro de la CPU Los registros de la CPU se pueden utilizar para almacenar temporalmente los datos En la memoria del computador En este caso será necesario especificar de algún modo la dirección de memoria dónde se halla el : dirección efectiva (EA, Effective Address ) del Modos de direccionamiento simples Inmediato Directo a registro Directo a memoria (absoluto) Indirecto con registro Indirecto con pila Indirecto con memoria Indirecto con desplazamiento Notación usada Ri Registro nº i de la CPU (Ri) Contenido del registro Ri (X) Contenido de la posición de memoria con dirección X EA Dirección efectiva de un SP Puntero de pila (Stack Pointer)

9 17. modos de direccionamiento Inmediato El está contenido en un campo de la propia instrucción máquina Sintaxis: opcode #A opcode A = A Directo a registro El está contenido en un registro de la CPU Sintaxis: opcode Ri opcode Ri = (Ri) R Ri Rn Registros Directo a memoria (absoluto) La dirección efectiva del está especificada en la instrucción Sintaxis: opcode A opcode EA = A A 18. modos de direccionamiento Indirecto con registro La dirección efectiva del está almacenada en el registro especificado en la instrucción Sintaxis: opcode (Ri) opcode EA = (Ri) Ri Registros R Ri Direc. Rn Indirecto con pila El está almacenado en la cabecera de la pila del computador (apuntada por SP) Sintaxis: opcode (SP) opcode EA = (SP) SP Pila Indirecto con memoria La dirección efectiva del está almacenada en la dirección de memoria especificada en la instrucción Sintaxis: opcode (A) opcode EA = (A) A direc.

10 19 Indirectos con desplazamiento. modos de direccionamiento Son un conjunto de direccionamientos en los que la EA del se calcula sumando dos cantidades: base (dirección efectiva de memoria) y desplazamiento. El lugar donde se ubiquen dichos elementos determina el nombre del direccionamiento registro-base La dirección efectiva del se calcula sumando el campo desplazamiento al contenido del registro especificado Sintaxis: opcode desp(ri) opcode Ri R Ri Rn desp. Registros + EA = (Ri)+desp relativo Es un direccionamiento registro-base que utiliza implícitamente el contador de programa Sintaxis: opcode desp(pc) opcode desp. PC + EA = (PC)+desp 2. modos de direccionamiento indexado La dirección efectiva del se calcula sumando el campo desplazamiento al contenido del registro especificado Sintaxis: opcode desp(ri) opcode Ri EA = A +(Ri) R Ri Rn A Registros + desp. registro-base indexado La dirección efectiva del se calcula sumando el campo desplazamiento al contenido del registro especificado Sintaxis: opcode (Ri, Rj) opcode Ri EA = (Ri) +(Rj) Rj R Rj Ri Rn Registros +

11 21. modos de direccionamiento Comparación de los modos de direccionamiento simples Modo Dir. Efectiva Ventajas Desventajas Inmediato Operando = A No accede a memoria Operando de magnitud limitada Directo a memoria EA = A Sencillo Espacio direcciones limitado Directo a registro Operando = (Ri) No accede a memoria Nº limitado de registros Indirecto con mem. EA = (A) Espacio direcciones grande Dos accesos a memoria Indirecto con reg. EA = (Ri) Espacio direcciones grande Acceso a reg. y a memoria Indirecto con desp. Indirecto con pila EA = base+desp Versátil EA = (SP) "No accede a memoria" Complejo. Accesos a reg y a memoria No siempre disponible 22. modos de direccionamiento Modos de direccionamiento complejos Modo Sintáxis Dir. Efectiva Indirecto con registro postincrementado Opcode (Ri)+ EA = (Ri) Ri = Ri + 1 Indirecto con registro postdecrementado Opcode (Ri)- EA = (Ri) Ri = Ri 1 Indirecto con registro preincrementado Opcode +(Ri) Ri = Ri + 1 EA = (Ri) Indirecto con registro predecrementado Opcode -(Ri) Ri = Ri 1 EA = (Ri) Registro-base indexado con Opcode desp(ri,rj) EA = (Ri)+(Rj)+desp desplazamiento Indirecto con registro Opcode (Ri S) EA = (Ri) S escalado Registro-base escalado Opcode desp(ri S) EA = (Ri) S+desp Registro-base indexado y escalado con despl. Opcode desp(rj,ri S) EA = (Rj)+(Ri) S+desp Se utilizan fundamentalmente para acceso a estructuras de datos complejas (vectores, arrays, tablas, registros, etc.)

12 23 5. aplicaciones de los modos de direccionamiento En C existen 2 tipos de variables: globales: accesibles por cualquier función y asignadas estáticamente a memoria al arrancar el programa locales: accesibles por una única función y asignadas dinámicamente a memoria cada vez que se llama a la función Los compiladores de C crean código de tal manera que cada vez que una función es llamada, se reserva en la pila del sistema una zona para las variables locales de la función. Dicha zona se llama marco de activación Foto de la pila del sistema durante una ejecución que realiza la secuencia de llamadas: main fi A fi A fi C SP puntero de marco local marco de activación de C marco de 2ª activación de A marco de 1ª activación de A Supóngase el siguiente programa: main puntero de marco global marco global A B C base de la pila 2 5. aplicaciones de los modos de direccionamiento Acceso a variables atómicas qué conocemos? El tamaño y distribución de las variables dentro de los marcos: ya que dependen de las declaraciones que haya hecho el programador La dirección dinámica de los punteros a marcos (que varía de una ejecución a otra) cómo calcular las direcciones de las variables? globales: (puntero de marco global) + desplazamiento locales: (puntero de marco local) + desplazamiento V puntero de marco desp. Debe utilizarse el direccionamiento registro-base, en donde el registro base deberá contener la dirección de comienzo del marco (actuando como puntero de marco).

13 25 5. aplicaciones de los modos de direccionamiento Acceso a elementos de un array qué suponemos? El primer índice del array es Los elementos del array tiene tamaño n bytes qué conocemos? El array comienza en la dirección: (puntero de marco) + desplazamiento cómo calcular la dirección del elemento i? (puntero de marco) + desplazamiento + i n i n A[i] A[1] Debe utilizarse el direccionamiento registro-base indexado y escalado con desplazamiento, en donde el registro base deberá contener la dirección de comienzo del marco, el registro índice el índice del elemento que se desea acceder y el factor de escala ser igual a n comienzo del array puntero de marco local desp. A[] aplicaciones de los modos de direccionamiento Primitivas de pila Las operaciones básicas sobre una pila (PUSH y POP) pueden realizarse utilizando los modos de direccionamiento autoindexados: Si la pila crece en orden decreciente de direcciones de memoria la operación PUSH se realiza utilizando direccionamiento indirecto con registro predecrementado la operación POP se realiza utilizando direccionamiento indirecto con registro postincrementado Si la pila crece en orden creciente de direcciones de memoria la operación PUSH se realiza utilizando direccionamiento indirecto con registro preincrementado la operación POP se realiza utilizando direccionamiento indirecto con registro postdecrementado