instrucciones- el lenguaje de las computadoras

8/19/2019 Instrucciones- El Lenguaje de Las Computadoras

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Instrucciones

El lenguaje de las computadoras


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Recuerde

● El conocimiento del HW, mejora la calidad del Software:

○ Compiladores, SO, programas multihilos, manejo de memoria

● Tendencias importantes:

○ más transistores, nos movemos a multi-core, baja tasa en el mejoramiento d

debido a las restricciones power/thermal, alta latencia en memoria y disco, …

● Razonando sobre el rendimiento:○ velocidad del reloj, CPI, suite de benchmark y algunas ecuaciones sobre ren


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ISA: Instruction Set Architecture● Entender el lenguaje del HW, es importante para entender la int

● Un programa, por ejemplo en c, es compilado en un ejecutable

compuesto de instrucciones máquina○ Este ejecutable se puede ejecutar en otras computadoras

○ Por ejemplo: Todos los procesadores Intel, leen estas instrucciones de la m

■ Pero: Cada procesador Intel maneja las instrucciones de forma diferen

Arquitectura vs Organización

● Los programas JAVA son convertidos en bytecode portable qué

en instrucciones máquina durante la ejecución (compilación ju


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ISA: Instruction Set Architecture

Principios importantes al definir la ISA

● Mantener el HW simple: En el chip solo se debe implementar p

básicas para mantenerlo rápido

● Mantener las instrucciones regulares: Simplificar la decodific

planificación de instrucciones


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ISA: Misma arquitectura, misma organizació


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ISA: Algunas Organizaciones


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Arquitectura MIPS

● Usada como ejemplo a lo largo del curso

● Las ISA son como dialectos de un mismo lenguaje: Si sabes unpuedes entender las demás

● Desarrollada en la Universidad de Standford como una Arquitec

innovadora en los años 80’s (www.mips.com)

● Ampliamente usada hoy en día

http://www.mips.com/http://www.mips.com/


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Una instrucción MIPS básica

Código C: a = b + c;

Código ensamblador: (instrucciones maquina amigables con el hu

add a, b, c # a es la suma de b y c

Código máquina: (instrucciones maquina amigables con el hardwa

00000010001100100100000000100000

Ejercicio: Traslade el siguiente código en C, a ensamblador:

a = b + c + d + e;


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Operaciones aritméticas: a = b + c + d + e;

add a, b, c add a, b, c

add a, a, d add f , d, e

add a, a, e add a, a, f

● Las instrucciones son simples: Número fijo de operandos (difere

● Una sola línea de código en C ( o en cualquier otro lenguaje) esmúltiples líneas de código ensamblador

● Algunas secuencias pueden ser mejor que otras…. la segunda

necesita una variable (temporal) adicional: f


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Operaciones aritméticas: Resta f = (g + h) - (i + j)

add t0, g, h add f, g, h

add t1, i, j sub f, f, i

sub f, t0, t1 sub f, f, j

● Pueden darse diferentes versiones: quizás algunas son mejores


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Operandos y Registros

● En C, cada variable corresponde con una ubicación de memori

● En el HW, cada acceso a memoria es caro: Si una misma variabvarias veces, conviene tenerla directamente en el procesador y

directamente ( en Registros)

● Para simplificar las instrucciones, se requiere que cada instrucc

solo opere con registros

● El número de operandos (variables) en un lenguaje de alto nive

muy extenso; pero el número de operandos en el ensamblador


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Registros

● La ISA MIPS tiene 32 registros (x86 solo tiene 8 registros)

○ Numerados 0 a 31○ ¿Por qué no más? ¿o menos?

■ Una cuestión de diseño: mantener el HW simple, pero más rápido

● Cada registro es de 32bits ( en las arquitecturas recientes de 64

registros son de 64 bits) → tamaño de palabra

● Para hacer el código más legible, los registros son particionados○ $s0 - Ss7 (variables C/java), $t0-t9 ( variables temporales), ...


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Palabra

● Una entidad de 32bit (4 bytes) es denominada palabra

● MIPS puede direccionar 230 palabras de memoria a nivel de byte…, M[4294967292] direccionadas en saltos de 4, accedidas solo

instrucciones de transferencia


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Ejemplo con Registros como Operandos

● Código C

f = (g + h) - (i + j);

● Código MIPS compilado:○ f, …, j → $s0, …, $s4

add $t0, $s1, $s2

add $t1, $s3, $s4

sub $s0, $t0, $t1


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Acceso a Memoria

● Los datos (y programas) residen en Memoria principal como

representaciones numéricas○ Arrays, Structures, datos dinámicos, …

● Entonces, para operarlos, es necesario:○ Traer los datos de la memoria principal a los registros para operarlos

○ Trasladar los resultados en los registros a la memoria principal


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Acceso a Memoria

● La Memoria Principal es direccionable a nivel de byte

○ cada dirección identifica un byte de 8 bits● Las palabras (32 bits o 4 byte) están alineadas en la memoria

○ La dirección de palabra va en múltiplos de 4

○ MIPS es Big Endian

■ El byte más significativo, tiene la menor dirección

Tarea: Investigar Little endian, y compararlo con Big Endian


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Acceso a Memoria

● Los datos son transferidos usando instrucciones de transferenci

● $s1 es el registro que recibe (en lw) los datos y luego devuelve

● $s2 contiene la dirección base de memoria

● 100 es llamado desplazamiento

● $s2+100 es una dirección de memoria


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Acceso a Memoria: Ejemplo

● Código C

g = h + A[8];

● Compilando a código MIPS:

○ g → $s1, h → $s2, dirección base de A en $s

○ Un índice de 8 requiere desplazamiento de 3

lw $t0, 32($s3) # load

add $s1, $s2, $t0


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Acceso a Memoria: Ejemplo # 2

● Código C

A[12] = h + A[8];

● Compilando a código MIPS:

lw $t0, 32($s3) # load

add $t0, $s2, $t0

sw $t0, 48($s3)


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Registros vs Memoria

● El acceso a registros es mucho más rápido que

a memoria

● Operaciones en memoria requieren lw y sw

● Los compiladores usan los registros como sea p

○ el acceso a memoria es solo para valores m

usados

○ La optimización de registros es importante


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Operandos Inmediatos

● Instrucciones para la especificación de constant

addi $s3, $s3, 4 # $s3 ← $s3 + 4

● No hay un equivalente para negativos

addi $s3, $s3, -4 # $s3 ← $s3 - 4

● El uso de O. inmediatos, elimina la necesidad de

(al menos al operar con constantes)


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La constante Zero

● El registro MIPS 0 ($zero) es la constante 0

○ No puede ser sobreescrita

● Usada para operaciones comunes

○ Por ejemplo, para mover un valor de un regis

add $t2, $s1, $zero # $t2 ← $s1


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Pero, ¿Cómo se representan numéricame

● Los datos e instrucciones son representados numér

○ En base 2 → dígitos binarios

○ El valor de un número en cualquier base se pued

d x Basei

○ ejemplo:


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Base 2

● Base no natural para los humanos

● Pero, si una base natural para las computadoras: ON

● Puede darse Overflow

○ debe ser manejado por Lenguajes de programac

● Varias formas de representar los números con signo

○ Signo y magnitud○ Complemento a 2

○ Complemento a 1

○ Notación Biased


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Complemento a 2

● Por su facilidad con el HW, prácticamente es la más

en día en todas las computadoras○ Si empieza con 0s, representa número positivo

○ Si empieza con 1s, representa números negativo


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Complemento a 2

● El HW solo necesita revisar el bit de signo

● Si es 0, es positivo

● Si es 1, es negativo


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Complemento a 2: Forma práctica

● Partiendo de su representación equivalente positiva

○ Invertir todos los 1s por 0s y viceversa○ Sumarle 1

● También funciona igual de negativo a positivo

● Si posee menos bit, sólo se completan los más sign


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Ejercicio

● ¿Cuál es el valor decimal de este binario de 64 bits e

complemento a dos?


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Ahora sí, ¿Cómo se representan las instrucc

● En MIPS:

○ Registros $s0 a $s7 corresponden a los registros○ Registros $t0 a $t7 corresponden a los registros

○ En total MIPS tiene 32 registros.

■ MIPS necesita 5 bits para identificar los regis

instrucción○ Las instrucciones tienen un formato particular

Tarea: Y los otros registros para qué sirven?


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Formato de Instrucciones MIPS

● para la instrucción:

● la representación decimal es:

● y la representación binaria es:

Cada segmento se denomina campo


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Formato de Instrucciones MIPS

● Las instrucciones MIPS, toman exactamente 32 bits

● En lenguaje ensamblador corresponde con mnem● En lenguaje máquina, es un conjunto de 32 1s y 0s

● Una secuencia de instrucciones es l.m. es código m

● Se puede usar base 16, para mayor facilidad:


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Ejercicio: Hexadecimal

● Convierta las siguientes representaciones a su otra

eca8 642016

→ X2

0001 0011 0101 0111 1001 1011 1101 11112 → X

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Tipos de Instrucciones MIPS

● R-type: Para registros

● I-Type: Para Inmediate y operaciones de memoria

Principio de diseño 3: Un buen diseño, demanda buenos c

El compromiso es mantener el formato de instrucciones

común posible. MIPS agrega el I-Type, debido a la espede constantes como campos. Si solo usara R-Type, el v

de constante sería 26 → de 0 a 63


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Tipos de Instrucciones MIPS → R-Type

● Formato para la operación con registros

Donde:

● op: Llamado opCode, Tipo de operación básica a re

● rs: El primer registro operando● rt: el segundo registro operando

● rd: El registro donde se escribirá el resultado

● Shamt: Shift amount. No usado por ahora

● funct: Fuction code: Especifica la variante del opCo


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Tipos de Instrucciones MIPS → I-Type

● Formato para las operaciones inmediate /transferenc

Donde:

● op: Llamado opCode, Tipo de operación básica a re

● rs: El primer y único registro operando● rt: es usado como el registro donde se escribirá el re

● 16 bits para especificar una constante o dirección de

● Se trata de mantener la equivalencia de formatos en


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Tipos de Instrucciones MIPS → entendiedo R

● A continuación se presenta el mapeo del formato de

instrucciones


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● Código C:

● Ensamblador MIPS:

● Representación máquina (decimal)

● Representación máquina (binaria)


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The BIG picture: Programa almacenado

Las computadoras de hoy en día, son construidas en ba

principios:● Las instrucciones son representadas

numéricamente

● Programas son almacenados en memoria

(como datos)


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¿A qué instrucción MIPS corresponde?

A. sub $t0, $t1, $t2

B. add $t2, $t0, $t1

C. sub $t2, $t1, $t0

D. sub $t2, $t0, $t1


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Asignación 2.6 a 2.11


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2.12 Traslation and Startup

instrucciones- el lenguaje de las computadoras

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