Clase 7 - Nivel ISA

Estructura del Computador

Procesador Arquitectura Arquitectura del Conjunto Conjunto de Instrucciones (ISA)

Estructura del Computador. Prof. Laura Navarro

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Arquitectura del Conjunto de Instrucciones ●

“La arquitectura del conjunto conjunto de instrucciones es e s la estructura estru ctura de un computador que un programador de lenguaje de máquina (o un compilador) debe entender para p ara escribir un programa programa correcto para esa máquina” IBM Introduciendo 360 (1964)

●

Un conjunto de instrucciones especifica la funcionalidad de un procesador: –

–

–

Las operaciones que soporta Los mecanismos de almacenamiento que ene y como son accedidos Como el programador/c programador/compilador ompilador comunica progr p rogramas amas al procesador


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Arquitectura del Conjunto de Instrucciones Nivel de Arquitectura del Conjunto de Instrucciones (ISA) ●

Se encuentra entre el nivel de microarquitectura y el de Sistema Operavo

●

Históricamente este nivel fue desarrollado antes que ningún otro

●

Es la interfaz entre el hardware y el soware

●

●

El Nivel ISA se define como la forma en la que se ve la máquina para un programador programador en lenguaje de máquina Actualmente, cuando ya nadie programa en lenguaje de máquina, podríamos decir que es el lenguaje en el que el compilador traduce los programas (agregando las llamadas al sistema operavo


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Arquitectura del Conjunto de Instrucciones ●

Normalmente los lenguajes de alto nivel se traducen a un lenguaje intermedio (nivel ISA) que el hardware puede ejecutar directamente

Programa en C

Programa en Pascal

Programa compilado a programa en ISA

Programa en C++

Programa compilado a programa en ISA

Prog. compilado a prog. en ISA

SW Nivel ISA HW

Programa ISA ejecutado por un microprograma o HW

Hardware


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Caracteríscas de las Instrucciones de Máquina Elementos de una instrucción de máquina: ●

●

●

●

Código de operación: Especifica la operación a ejecutar Referencia al operando fuente: puede tener uno o más. Son los operandos de entrada a la operación Referencia al operando de salida: la operación puede producir un resultado Referencia a la próxima instrucción: le dice al procesador donde buscar la próxima instrucción una vez se complete la ejecución de la instrucción actual


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Caracteríscas de las Instrucciones de Máquina Los operandos pueden estar en una de 4 áreas: ●

Memoria principal o virtual

●

Disposivo de entrada/salida

●

Registro del procesador

●

Inmediato


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Caracteríscas de las Instrucciones de Máquina Representación de la instrucción : ●

●

Cada instrucción es representada por una secuencia de bits La instrucción se divide en campos, que se corresponden con los elementos que constuyen la instrucción

Código de operación

Operando (Dirección)


Operando (Dirección)

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Caracteríscas de las Instrucciones de Máquina Tipos de instrucciones: ●

●

Procesamiento de datos: Instrucciones lógicas y aritmécas Almacenamiento de datos: Movimiento de datos desde y hacia registros o localidades de memoria

●

Movimiento de datos: Instrucciones de E/S

●

Control: Instrucciones de prueba y saltos


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Caracteríscas de las Instrucciones de Máquina ●

Candad de direcciones

●

Máxima candad de direcciones: 4 –

Referencia de los 2 operandos de entrada

–

Referencia al operando de salida

–

●

Dirección de la próxima instrucción, generalmente considerada implícita

Mínima candad de direcciones: 0 –

Se ulizan con una organización especial de memoria: la pila


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Caracteríscas de las Instrucciones de Máquina

Candad de Direcciones

Representación simbólica

Interpretación

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OP A, B, C

A ← B OP C

2

OP A, B

A ← A OP B

1

OP A

AC ← AC OP A

0

OP

T ← (T – 1) OP T

AC = T= (T – 1) = A, B, C = OP =


Acumulador Tope de la pila Segundo elemento de la pila Localización de memoria o registro Operador

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Caracteríscas de las Instrucciones de Máquina ●

Candad de direcciones Instrucción SUB Y, A, B MPY T, D, E ADD T, T, C DIV Y, Y, T

Comentario Y←A–B T←D*E T←T+C Y←Y/ T

Instrucciones de tres direcciones

Instrucción MOVE Y, A SUB Y, B MOVE T, D MPY T, E ADD T, C DIV Y, T

Comentario Y←A Y←A–B T←D T←T*E T←T+C Y←Y/ T

Instrucciones de dos direcciones Estructura del Computador. Prof. Laura Navarro

Instrucción LOAD D MPY E ADD C STOR Y LOAD A SUB B DIV Y STOR Y

Comentario AC ← D AC ← AC * E AC ← AC + C Y ← AC AC ← A AC ← AC – B AC ← AC / Y Y ← AC

Instrucciones de una dirección

Programas para ejecutar A-B Y = -----------------C + (D * E)

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Diseño del Conjunto de Instrucciones Es muy complejo ya que afecta múlples aspectos de un sistema de computación. El ISA define muchas de las funciones llevadas a cabo por el procesador: ene un efecto significavo en su implantación. Los aspectos más importantes a considerar en este diseño incluyen: ●

●

●

●

●

Repertorio de operaciones: Cuántas y cuáles operaciones se van a proveer, y su nivel de complejidad Tipos de datos: Los disntos pos de datos sobre los cuáles se ejecutarán operaciones Formato de instrucciones: longitud de las instrucciones (en bits), candad de direcciones, tamaño de los diferentes campos, etc. Registros: Candad de registros del procesador que pueden ser referenciados por las instrucciones y su uso Direccionamiento: la forma o formas en las cuales se especifica la dirección de un operando


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Tipos de operandos Las categorías generales de operandos más importantes son: ●

Direcciones

●

Números

●

Caracteres

●

Datos lógicos


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Tipos de Operandos - Números ●

●

Todos los lenguajes de máquina incluyen datos numéricos Los números almacenados en un computador son limitados: –

–

●

Son comunes tres pos de datos numéricos: – – –

●

Hay un límite en la magnitud de los números representables en una máquina En el caso de los números punto-flotante, también hay límites a su precisión Entero binario o punto fijo Binario punto flotante Decimal

Decimales empaquetados: –

–

Cada dígito decimal se representa por un código de 4 bits y se almacenan dos dígitos por byte Para formar los números se juntan los códigos de 4 bits, generalmente en múlplos de 8 bits


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Tipos de Operandos - Caracteres ●

●

Un forma común de datos es texto o cadenas de caracteres Cada computador usa un conjunto de caracteres, los cuales son representados asignando a cada caracter un número. Esta representación debe obedecer unas reglas básicas: –

–

–

–

Debe incluir, como mínimo, 26 mayúsculas, 26 minúsculas, los dígitos del 0 al 9, signos de puntuación y algunos símbolos matemácos. Las mayúsculas deben tener códigos consecuvos, al igual que las minúsculas y los dígitos. El orden de los códigos de las mayúsculas, minúsculas y dígitos deben coincidir con el orden de estos Los dígitos deben tener asignados códigos que hagan sencilla su conversión a números. Ejemplo, en ASCII los dígitos del 0 al 9 se representan con los código del 30 al 39 en hexadecimal. Para hacer la conversión sólo es necesario tomar los 4 bits más a la derecha del byte.


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Tipos de Operandos - Caracteres ●

El código de caracteres más comúnmente usado es el ASCII, también llamado IRA (Internaonal Reference Alphabet). Caracteríscas principales: –

Originalmente tenía 7 bits, lo que permia 128 caracteres en total

–

Se expandió luego a 8 bits para incluir caracteres lanos (acentos, etc)

–

●

Los códigos del 0 al 1F (hexadecimal) son caracteres de control y no se imprimen

Otros códigos comunes son: –

–

EBCDIC: Usado en mainframes UNICODE: Expansión de ASCII de 16 bits por caracter que incluye caracteres específicos de otros idiomas diferentes al inglés


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Tipos de Operandos – Datos Lógicos ●

●

Una unidad de n bits que consiste en n elementos de datos de 1 bit, que pueden tomar el valor de 0 o 1 Dos ventajas de la visión orientada a bits: –

–

La memoria se puede usar de una forma más eficiente almacenando un arreglo de elementos de dato binarios o booleanos en los que cada dato puede tomar solo los valores 1 (verdadero) o 0 (falso) Se pueden manipular los bits de un elemento de datos: ●

●

Si las operaciones punto flotante se implementan por soware, necesitamos ser capaces de desplazar los bits significavos en algunas operaciones Para converr de ASCII a decimal empaquetado, solo necesitamos extraer los 4 bits más a la derecha de cada byte


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Tipos de Operaciones ●

Transferencia de datos: Transfieren datos de un lugar a otro

●

Aritmécas: Ejecución de operaciones aritmécas.

●

Lógicas: Ejecución de operaciones lógicas.

●

●

●

Conversión: Traduce valores de una sección de memoria basado en una tabla de correspondencias o convierte el contenido de una palabra de una forma a otra (ej: decimal empaquetado a binario) E/S: Realiza operaciones de lectura y escritura desde o hacia puertos de E/S y otras relacionadas Transferencia de control: Operaciones que cambian la secuencia de ejecución de las instrucciones: Saltos incondicionales, saltos condicionales, llamadas a runas y retornos,


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Tipos de Operaciones - Procedimientos ●

Involucra dos instrucciones básicas: –

–

Instrucción de llamada: que salta de la localización actual al procedimiento Instrucción de retorno: que vuelve del procedimiento al lugar de donde fue llamado


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Tipos de Operaciones - Procedimientos

Ejemplo de procedimientos anidados


Tipos de Operaciones - Procedimientos

Uso de la pila para implementar los procedimientos de la lámina anterior


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Tipos de Operaciones - Procedimientos ●

●

Procedimiento P con variables locales x1 y x2 Procedimiento Q con variables locales y1 y y2


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Ordenamiento de Bytes ●

Se refiere a como se ordenan los bytes dentro de un palabra

●

Existen dos formas: –

–

Big-endian: El byte más significavo se almacena en la dirección de memoria de byte más baja. Es equivalente al orden de izquierda a derecha de la escritura. Lile-endian: El byte menos significavo se almacena en la dirección de memoria de byte más baja.


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Ordenamiento de Bytes ●

Ejemplo: Si consideramos el valor hexadecimal de 32 bits se almacena en una memoria direccionable por byte a parr de la dirección 184, estas son las dos formas en las que se puede almacenar el valor: Dirección Valor

Big endian


Dirección Valor

Little endian

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Modos de Direccionamiento ●

●

Existen una variedad de técnicas de direccionamiento creadas para quesea posible referenciar un gran rango de direcciones de memoria, incluso si el campo de dirección de las instrucciones es pequeño. Los modos de direccionamiento más comunes son: –

Inmediato

–

Directo

–

Indirecto

–

De registro

–

De registro indirecto

–

Desplazamiento

–

PIla


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Inmediato: –

–

●

El valor del operando se encuentra en la instrucción. Se acostumbra a ulizar para definir y usar constantes o inicializar variables

Directo –

–

–

El campo de dirección conene la dirección efecva del operando La longitud del campo de dirección es usualmente pequeño lo que limita el rango de direcciones No es común en las arquitecturas contemporáneas Dirección efecva: la dirección del dato en memoria principal o registro


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Indirecto –

●

De Registro –

●

El campo de dirección referencia a la dirección de una palabra de memoria que conene la dirección efecva del operando

El campo dirección conene la dirección a un registro.

Indirecto De Registro –

El campo de operando referencia a la dirección de un registro que conene, a su vez, la dirección de la palabra de memoria que conene la dirección efecva del operando


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Desplazamiento –

–

Modo de direccionamiento que combina las capacidades del direccionamiento directo y el direccionamiento indirecto de registro Requiere que la instrucción tenga dos campos de dirección, donde, al menos uno, es explícito: ●

●

El valor contenido en un campo de dirección es usado directamente (valor = A) El otro campo de dirección se refiere a un registro cuyo contenido se suma a A para producir la dirección efecva


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Relavo: –

El registro referenciado implícitamente es el contador de programa (PC) ●

●

●

La dirección de la próxima instrucción a ejecutar se suma al campo de dirección para generar la dirección efecva Usualmente el campo de dirección se trata como un número en complemento a 2 La dirección efecva es un desplazamiento relavo a la dirección de la instrucción.


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Registro-Base –

●

El registro referenciado conene una dirección de memoria principal y el campo de dirección conene el desplazamiento desde esa dirección

–

El registro referenciado puede ser implícito o explícito

–

Es una forma conveniente de implementar segmentación

Indexado –

–

–

El campo de dirección referencia a una dirección en memoria principal y el registro referenciado conene un desplazamiento posivo desde esa dirección El método para calcular la dirección efecva es el mismo que en el direccionamiento de registro-base Se usa como mecanismo eficiente para ejecutar operaciones iteravas


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Pila –

–

–

La pila es un arreglo lineal de localizaciones La pila está conformada por un bloque reservado de localizaciones de memoria. Los datos se agregan así al tope de la pila mientras el bloque está parcialmente lleno Se asocia un apuntador a la pila cuyo valor es el de la dirección del tope de la misma ●

●

Esta apuntador se manene en un registro Las referencias a localizaciones en memoria son por direccionamiento indirecto de registro.


31

Modos de Direccionamiento (Resumen)


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Modos de Direccionamiento (resumen) Modo

Algoritmo

Ventaja principal

Desventaja principal

Inmediato

Operando = D

No se hace referencia a memoria

Magnitud del operando limitada

Directo

DE = D

Simple

Espacio de direcciones limitado

Indirecto

DE = (D)

Espacio de direcciones grande

Múlples referencias a memoria

Registro

DE = R

No hay referencias a memoria

Espacio de direcciones limitado

Registro indirecto

DE = (R)

Espacio de direcciones grande

Referencia a memoria adicional

Desplazamiento

DE = D + (R)

Flexibilidad

Complejidad

Pila

DE = Tope de la pila

No hay referencia a memoria

Aplicabilidad limitada

DE = Dirección efectiva Estructura del Computador. Prof. Laura Navarro

D = Campo de Dirección R = Registro (D) = Contenido de D (R) = Contenido de R 33

Formato de Instrucción ●

●

Define la distribución de los bits de una instrucción en función delos campos de lo constuyen Aspectos más importantes del diseño: –

Longitud de la instrucción

–

Distribución de los bits en el formato

–

Instrucciones de longitud variable


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Formato de Instrucción - Longitud ●

Problema de diseño fundamental

●

Afecta y es afectado por:

●

●

–

Tamaño de la memoria

–

Organización de la memoria

–

Estructura del bus

–

Complejidad del procesador

–

Velocidad del procesador

Debe sr igual a la longitud de las transferencias de memoria, o al menos uno debe ser múlplo del otro Debe ser múlplo de la longitud de un caracter (usualmente 8 bits) y de la longitud de los números punto fijo


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Formato de Memoria – Distribución de Bits Depende de: ●

●

●

●

●

Candad de modos de direccionamiento: si se deben expresar explícitamente, requiere más bits Candad de operandos: Más operandos, mas largas las instrucciones, menos operandos, más compleja la programación. Máquinas actuales acostumbran a usar 2 Registros o memoria: Los registros requieren menos bits Rango de direcciones: Depende de la candad de bits asignados al campo Granularidad de las direcciones: byte o palabra


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Clase 7 - Nivel ISA

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