Chapter 2. Εντολές : Η γλώσσα του υπολογιστή. (συνέχεια) Η διασύνδεση Υλικού και λογισμικού David A. Patterson και John L.

Transcript

1 Η διασύνδεση Υλικού και λογισμικού David A. Patterson και John L. Hennessy Chapter 2 Εντολές : Η γλώσσα του υπολογιστή (συνέχεια) Διαφάνειες διδασκαλίας από το πρωτότυπο αγγλικό βιβλίο (4 η έκδοση), μετάφραση: Καθ. Εφαρμογών Νικόλαος Πετράκης, Τμήματος Ηλεκτρονικών Μηχανικών του Τ.Ε.Ι. Κρήτης. Τελευταία τροποποίηση: χειμερινό εξάμηνο.

2 Αναπαράσταση εντολών Οι εντολές κωδικοποιούνται στο δυαδικό Ονομάζεται κώδικας μηχανής (machine code) Οι εντολές του MIPS (MIPS instructions) Κωδικοποιημένες λέξεις εντολών στα 32 bit Μικρός αριθμός μορφών εντολών (instruction formats) που κωδικοποιούν τον κώδικα λειτουργίας (opcode), τους αριθμούς καταχωρητών, Κανονικότητα! Αριθμοί καταχωρητών (Register numbers) $t0 $t7 είναι οι καταχωρητές 8 15 $s0 $s7 είναι οι καταχωρητές $t8 $t9 είναι οι καταχωρητές Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 2

3 Εντολές MIPS μορφής R (register) op rs rt rd shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits Πεδία εντολής (Instruction fields) op: κωδικός λειτουργίας (operation code) (opcode) rs: αριθμός πρώτου καταχωρητή προέλευσης (source) rt: αριθμός δεύτερου καταχωρητή προέλευσης (source) rd: αριθμός καταχωρητή προορισμού (destination) shamt: ποσότητα ολίσθησης (shift amount) (προς το παρόν έχει τιμή 00000) funct: κωδικός συνάρτησης (function code) (επεκτείνει το opcode) Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 3

4 Παράδειγμα μορφής R (1o) op rs rt rd shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits add $t0, $s1, $s2 Συμβολική γλώσσα (assembly) special $s1 $s2 $t0 0 add = Γλώσσα μηχανής (machine language) Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 4

5 Παράδειγμα μορφής R (2o) op rs rt rd shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits sub $t9, $t0, $t1 special $t0 $t1 $t9 0 sub = 0109C Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 5

6 Δεκαεξαδικό (Hexadecimal) Βάση 16 Συμπαγής αναπαράσταση σειρών από bit 4 δυαδικά ψηφία (bits) ανά δεκαεξαδικό ψηφίο c d a 1010 e b 1011 f 1111 Παράδειγμα: eca (hex) (two) Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 6

7 Εντολές MIPS μορφής I (immediate) op rs rt constant or address 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits Άμεσες αριθμητικές εντολές και εντολές φόρτωσης /αποθήκευσης rs: αριθμός καταχωρητή βάσης (base register) rt: αριθμός καταχωρητή προέλευσης ή προορισμού Constant: σταθερά από 2 15 έως Address: σχετική απόσταση (offset) που προστίθεται στην διεύθυνση βάσης που βρίσκεται στο rs Σχεδιαστική Αρχή 4: Η καλή σχεδίαση απαιτεί καλούς συμβιβασμούς Οι διαφορετικές μορφές εντολών δυσχεραίνουν την αποκωδικοποίηση, αλλά επιτρέπουν την ομοιομορφία των εντολών ως προς το μήκος τους (όλες στα 32 bit) Διατήρηση των μορφών παρόμοιων κατά το δυνατόν Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 7

8 Παράδειγμα μορφής I op rs rt constant or address 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits addi $s0, $s1,3 addi $s1 $s = Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 8

9 Άλλα παραδείγματα μορφής I op rs rt constant or address 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits lw $t0, 32($s1) lw $s1 $t sw $t0, 36($s1) sw $s1 $t Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 9

10 Η/Υ αποθηκευμένου προγράμματος The BIG Picture Οι εντολές αναπαριστώνται στο δυαδικό, όπως και τα δεδομένα Εντολές και δεδομένα αποθηκεύονται στην μνήμη Τα προγράμματα μπορούν δουλέψουν πάνω σε προγράμματα π.χ., compilers, linkers, Η συμβατότητα σε δυαδικό επίπεδο επιτρέπει σε μεταγλωττισμένα προγράμματα να δουλεύουν σε άλλους Η/Υ Τυποποιημένες Αρχιτεκτονικές Συνόλου Εντολών (Standardized ISAs) Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 10

11 Λογικές Πράξεις Εντολές πράξεων ανά bit (bitwise) Πράξη (Operation) Τελεστές C Τελεστές Java Εντολές MIPS Ολίσθηση αριστερά (Shift left) << << sll Ολίσθηση δεξιά (Shift right) >> >>> srl Σύζευξη (Bitwise AND) & & and, andi Διάζευξη (Bitwise OR) or, ori Άρνηση (Bitwise NOT) ~ ~ nor Χρήσιμες για την εξαγωγή και την εισαγωγή ομάδων δυαδικών ψηφίων από/σε μια λέξη Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 11

12 Εντολές ολίσθησης op rs rt rd shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits shamt: πόσες θέσεις να ολισθήσει Λογική ολίσθηση αριστερά (shift left logical) Ολίσθησε αριστερά και γέμισε τα κενά με 0 sll κατά i bits πολλαπλασιάζει επί 2 i Λογική ολίσθηση δεξιά (shift right logical) Ολίσθησε δεξιά και γέμισε τα κενά με 0 srl κατά i bits διαιρεί διά 2 i (μόνο χωρίς πρόσημο) Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 12

13 Εντολές σύζευξης (AND) Χρήσιμο για την εφαρμογή μάσκας σε μια λέξη Επιλογή κάποιων bits, επαναφορά άλλων στο 0 and $t0, $t1, $t2 $t2 $t Μάσκα $t Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 13

14 Εντολές διάζευξης (OR) Χρήσιμο για να συμπεριλάβει κάποια bits σε μια λέξη Θέση κάποιων bits στο 1, αφήνοντας άλλα αμετάβλητα or $t0, $t1, $t2 $t2 $t1 $t Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 14

15 Εντολές άρνησης (NOT) Χρήσιμο για την αντιστροφή των bits μιας λέξης Αλλάζει το 0 σε 1, και το 1 σε 0 Ο MIPS έχει την NOR (εντολή με 3 τελεστέους) a NOR b == NOT ( a OR b ) nor $t0, $t1, $zero $t1 Καταχωρητής 0: διαβάζεται πάντοτε ως μηδέν $t Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 15

16 Εντολές λήψης αποφάσεων Διακλάδωση σε μια εντολή (με ετικέτα) αν μια συνθήκη είναι αληθής Διαφορετικά, η ροή του προγράμματος συνεχίζει με την επόμενη εντολή beq rs, rt, L1 branch if equal εάν (rs == rt) πήγαινε στην εντολή με ετικέτα L1 bne rs, rt, L2 εάν (rs!= rt) πήγαινε στην εντολή με ετικέτα L2 j L3 branch if not equal jump Διακλάδωση χωρίς συνθήκη (unconditional jump) στην εντολή με ετικέτα L3 Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 16

17 Μεταγλώττιση εντολών If Κώδικας C: if (i==j) f = g+h; else f = g-h; Τα f, g, στους $s0, $s1, Μεταγλωττισμένος κώδικας MIPS: bne $s3, $s4, Else add $s0, $s1, $s2 j Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 Exit: Ο Συμβολομεταφραστής υπολογίζει τις διευθύνσεις Chapter 2 Instructions: Language of the Computer 17