Diapositivas Tema 04

4-1
Arquitectura de Computadoras
Tema 4: Arquitectura del Set de Instrucciones
Eduardo Daniel Cohen – [email protected]
http://www.herrera.unt.edu.ar/arqcom
Arquitectura de Computadoras – UNT – D. Cohen
2014
4-2
Arquitectura del Set de
Instrucciones
Indice
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
Repaso.
Distintos Conjuntos de Instrucciones.
Modos de Direccionamiento y Lenguajes de Alto
Nivel (HLL).
Stacks
Subrutinas.
Marcos de Enlace.
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4-3
El Ciclo de la Instrucción
Instruction
Fetch
Obtener instrucción de Memoria M(PC), guardar
Instrucción en IR
Actualizar PC
Instruction
Decode
Execute
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Determinar las acciones que se requieran
Ejecutar las acciones requeridas (leer o
escribir en M o I/O, procesar en ALU...)
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4-4
¿Qué debe especificar una instrucción?
Flujo de Datos
• ¿Qué operación realizar?
add r0, r1, r3
•  Op code: add, load, branch, etc.
• ¿Dónde están los operando/s?
add r0, r1, r3
•  En registros del CPU, celdas de memoria,
lugares de I/O o parte de una instrucción.
• ¿Dónde se guarda el resultado?
add r0, r1, r3
•  En un registro, M o I/O.
• ¿Dónde está la próxima instrucción?
•  En el lugar de memoria a que
apunta el PC
•  Para ej. salto – PC endloop
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add r0, r1, r3
br endloop
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4-5
Formato de la Instrucción
Op-Code
Operando 1
Operando 2
...
Operando n
1.  Op-Code: Qué Operación se efectúa.
•  n bits – hasta 2n operaciones distintas.
2. Operandos: Con qué datos se opera.
3.
• 
En general desde 0 a 3 operandos.
• 
El dato puede estar en el campo, en Memoria o en
un Registro.
Puede haber más de un formato,
dependiendo de Op-Code.
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3 Clases de Instrucciones
• Movimiento de Datos
•  Mover datos desde M(i) o R(i) a M(j) o R(j) sin modificarlos.
Tienen siempre una fuente y un destino.
•  Load— La fuente es memoria y el destino un registro.
•  Store— La fuente es un registro y el destino es memoria.
•  Hay casos con fuentes y destino ambos M o ambos R.
• Procesamiento – Instrucciones Aritméticas y Lógicas.
•  Procesar uno o más operandos fuentes y guardar el resultado
en un lugar de destino.
•  Add, Sub, Shift, etc.
• Control de flujo de Instrucciones (Saltos)
•  Alterar el flujo normal de control en lugar de ejecutar la
siguiente instrucción de la dirección contigua.
•  Br Loc, Brz Loc2,—saltos condicionales o incondicionales.
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¿Cuáles son las componentes de un
ISA?
• Conocido como el Modelo del Programador de la máquina.
• Celdas de Almacenamiento
•  Registros de propósito general y especial en el CPU.
•  Muchas celdas de propósito general de igual tamaño en
Memoria.
•  Almacenamiento relacionado con dispositivos I/O.
• Formato de la Instrucción
•  Tamaño y significado de los diferentes campos de la
Instrucción.
• El Set de Instrucciones de la Máquina.
•  Es el repertorio completo de las operaciones de la
máquina.
•  Emplea celdas de almacenamiento, formatos y resultados
del ciclo de la Instrucción.
• Naturaleza del ciclo de la Instrucción.
•  Cosas que se hndependientemente de la instrucción en
cuestión.
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4-8
Los Registros del CPU pueden tener
una “personalidad”
•  Acumulador, Puntero de Pila, Contadores, Fuente, Destino.
•  Las diferentes arquitecturas se clasifican generalmente en cómo y
dónde se ubican los operandos y resultados y cómo se especifican
por la instrucción.
•  Pueden estar en Registros del CPU o en Memoria.
Stack
Registro Implícito
General Purpose
Registers
Push Pop
Top
Second
•
•
•
Stack Machine
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A
•
•
•
Accumulator Machine
General Register
M a c h i ne
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4-9
ISAs de 3, 2, 1 y 0 direcciones
• La clasificación se basa en las instrucciones aritméticas que
tienen dos operandos y un resultado.
• Un ISA de 3 direcciones usa modos de direccionamiento tanto
para los operandos como para el resultado R ← Op1 op Op2
• Una instrucción de 2 direcciones usa el operando destino
(resultado) como operando fuente también Op1 ← Op1 op Op2
• Una instrucción de 1 dirección emplea un registro implícito,
llamado acumulador, para que contenga tanto un operando
como el resultado Acc ← Acc op Op1
• Una de 0-dirección emplea una pila para contener los dos
operandos y el resultado TOS ← TOS op SOS (TOS es Top Of
Stack, SOS es Second On Stack)
• La instrucción de 4 direcciones, prácticamente no se ve
actualmente, permite que la dirección de la próxima instrucción
se especifique explícitamente.
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4-10
Modos de Direccionamiento
• Un modo de direccionamiento es el soporte de Hw para una
forma útil de determinar dónde se encuentra el operando.
• Modos de direccionamiento diferentes resuelven distintos
problemas de los Lenguajes de Alto Nivel (HLL).
•  Algunas direcciones se conocen en tiempo de compilación,
ej. Variables globales.
•  Otras no se conocen hasta el tiempo de corrida, ej. Punteros.
•  Puede ser necesario calcular las direcciones. Por ejemplo:
•  Componentes de la estructura de un record (registro):
•  Variable de base (dirección completa) + constante (pequeña)
•  Componentes de una tabla o vector:
•  Constante de Base (dirección completa) + variable índice (pequeña)
•  Es posible guardar valores constantes sin usar otras celdas
de memoria, en la misma instrucción o adyacente a ella.
•  Un buen programa no se cambia a sí mismo.
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4-11
HLL Ejemplos de Direcciones Estructuradas
• Lenguaje C: rec → count
•  rec es un puntero a un record: variable de
dirección completa
•  count es el nombre de un campo: un offset fijo en
bytes, digamos 2
• Lenguaje C: v[i]
•  v es la dirección fija de la tabla: dirección
completa fija (constante).
•  i es el nombre del índice variable: no supera a la
dimensión de la tabla.
• Las variables deben estar en registros o en Memoria.
• Pequeñas constantes pueden estar contenidas en la
instrucción.
• Conclusión: se necesita “aritmética de direcciones.”
•  Ej., Dirección de Rec → Count es la dirección de
Rec + offset de count.
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Count
Rec →
V[i]
V →
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4-12
Implementación Stack
• Se implementa en memoria.
• Arquitecturas con Stack Explícito:
•  Registro especial, Stack Pointer (SP), en CPU.
•  Instrucciones Dedicadas: PUSH y POP.
• Excepción: guarda estado de la tarea en stack.
• Excepciones: Traps + Interrupciones.
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4-13
Arquitecturas sin Stack Explícitos
• Necesitan convocar a Subrutinas.
• Instrucciónes JAL r y J r. (para CALL y
RETURN).
•  JAL r, guarda PC en registro r.
•  J r, salta a la dirección dada por r.
• El stack se implementa mediante:
•  Un registro general (GPR) – standard fijo.
•  Movimiento de datos e incrementos o
decrementos.
• ¿Soporta llamadas anidadas?
• ¿Y recursivas?
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4-14
Implementación de Rutinas
•  Arquitecturas con Stack con Instrucciones Específicas.
•  Call – guarda PC en stack (transparente).
•  Algunas arquitecturas guardan CCR también (Call).
•  Hay que asegurarse de guardar el estado.
•  ¿qué es el “estado”?
• 
• 
• 
• 
Los argumentos los guarda quien convoca.
Registros con Variables locales, los guarda el convocado.
Esta es una convención posible.
Se trabaja con standards. ¿Por qué?
•  Return.
•  Restaurar estado y volver.
•  El convocado restaura lo que guardó (mediante POPs).
•  Restaura PC, mediante instrucción RETURN.
•  El convocante restaura lo que guardó (también con POPs)
•  Muy limitado usar solo POP y PUSH para direccionar Stack.
•  ¿Qué pasa si la rutina cambia el valor de SP antes de retornar?
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4-15
Enlaces Standard (gcc): Marcos (Frames)
Se emplea un puntero de marco, “Frame Pointer”
Argumentos
(guarda quien
llama)
Registros
Guardados por
El Convocado
(old FP, RA)
Memoria Alta
Argumentos y variables
locales, a una distancia
(offset positivo) fijo de FP
Variables Locales
FP
SP
Crece y decrece durante
evaluación de expresiones
y procesamiento Rutina.
Memoria Baja
En este ejemplo el stack crece hacia abajo, caso MIPS.
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4-16
Resumen
•  Todas las máquinas tienen 3 clases de instrucciones.
•  Arquitecturas de 3, 2, 1 o 0 direcciones.
•  Modos de direccionamiento para manejar estructuras de datos
en forma eficiente
•  Aritmética de direcciones.
•  Variados modos de direccionamiento, sintaxis y semántica en la
industria.
•  Stacks permiten subrutinas, y rutinas para excepciones…
•  Explícitos o implícitos.
•  Standards para pasaje de parámetros.
•  Máquinas con GPRs o con registros “con personalidad”
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