Sistemas de Computação. Instruções de Linguagem de Máquina

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1 Instruções de Linguagem de Máquina

2 Linguagem de montagem do processador MIPS Operações aritméticas Instrução Exemplo Significado soma add a, b, c a = b + c subtração sub a, b, c a = b - c

3 Compilação de dois comandos em C para MIPS Segmento do Programa em C Segmento do Programa em MIPS a = b + c; d = a e; add a, b, c sub d, a, e f = (g + h) (i + j); add t0, g, h add t1, i, j sub f, t0, t1

4 Compilação de dois comandos em C para MIPS Operandos aritméticos localizados em registradores Segmento do Programa em C a = b + c; d = a e; Segmento do Programa em MIPS add $s0, $s1, $s2 sub $s3, $s0, $s4 f = (g + h) (i + j); add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1

5 Instruções para transferência de dados entre memória e registradores Estruturas de dados mais complexas podem conter mais dados que o número de registradores Dados armazenados na memória têm que ser transferidos para registradores para operações aritméticas As instruções de transferência de dados devem fornecer o endereço na memória do dado a ser acessado

6 Instruções para transferência de dados entre memória e registradores Endereço Dados Processador Memória Instrução para transferir dado da memória para registrador: load word (lw) Instrução para transferir dado do registrador para memória: store word (sw)

7 Instruções para transferência de dados entre memória e registradores Endereço base armazenado em registrador da instrução Endereço da memória formado pelo deslocamento adicionado ao conteúdo do registrador base Segmento do programa em C g=h+a[8] Segmento do programa em MIPS lw $t0,8($s3) add $s1, $s2, $t0

8 Endereços reais em MIPS Endereço Dados Processador Memória Endereços se referem a bytes Na arquitetura MIPS a palavra é de 32 bits (4 bytes), fazendo com que endereços das palavras difiram por 4. Em MIPS endereços das palavras devem sempre começar em múltiplos de 4 (restrição de alinhamento)

9 Instruções para transferência de dados entre memória e registradores Endereço base armazenado em registrador da instrução Endereço da memória formado pelo deslocamento adicionado ao conteúdo do registrador base Segmento do programa em C A[12]=h+A[8] Segmento do programa em MIPS lw $t0,32($s3) add $t0, $s2, $t0 sw $t0,48($s3)

10 Representação das instruções do tipo R Cada instrução da linguagem de montagem é traduzida para a linguagem de máquina expressa de forma binária Campos das instruções de máquina MIPS: op rd rs rt rd shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits op: código de operação rs: registrador com primeiro operando fonte rt: registrador com segundo operando fonte rd: registrador que guarda resultado da operação shamt: deslocamento funct: código de função

11 Representação das instruções do tipo R Tradução de uma instrução de registrador na linguagem de montagem para linguagem de máquina add $t0, $s1, $s2 0 rd op rs rt rd shamt funct rd bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits

12 Instruções do tipo R Operações aritméticas: add rd, rs, rt sub rd, rs, rt Operações lógicas: and rd, rs,rt or rd, rs, rt sll rd, rt, shamt sra rd, rt, shamt srl rd, rt, shamt xor rd, rs, rt

13 Representação das instruções do tipo I Tradução de uma instrução de memória na linguagem de montagem para linguagem de máquina lw $t0, 1200($t1) 35 rd op rs rt endereço rd bits 5 bits bits 16 bits

14 Representação das instruções de desvio Instrução de desvio beq registrador1, registrador2, L1 bne registrador1, registrador2, L1 Segmento do programa em C if (i==j) f = g+h; else f=g-h; Segmento do programa em MIPS bne $s3, $s4, else add $s0, $s1, $s2 j Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 Exit:

15 Compilando o comando while Segmento do programa em C while (save[i] ==k) i = i+j; Segmento do programa em MIPS Loop: add $t1, $s3, $s3 add $t1, $t1, $t1 add $t1,$t1,$s6 lw $t0,0($t1) bne $t0, $s5, Exit add $s3, $s3, $s4 j Loop Exit:

16 Comando switch Permite selecionar uma entre diversas alternativas switch (k) { case 0: f = i + j; break; case 1: f = g + h; break; case 2: f = g - h; break; case 3: f = i - j; break; } Pode ser implementado utilizando-se comandos ifthen-else aninhados Maneira mais eficiente: Alternativas são codificadas em uma tabela de endereços, denominada tabela de endereços de jump Na execução do comando basta indexar a tabela e ir para o endereço encontrado na tabela Instrução de desvio incondicional em MIPS jr

17 Implementação com tabela do comando switch Estrutura do programa obtém end. na tabela de acordo com valor de k vai para endereço L0: f = i + j L1: f = g + h L2: f = g - h L3: f = i - j Tabela k endereço 0 L0 1 L1 2 L2 3 L3

18 Código gerado para comando switch # Testa se variável k entre 0 e 3 slt $t3, $s5, $zero bne $t3, $zero, Exit slt $t3, $s5, $t2 beq $t3, $zero, Exit # Multiplica k por 4 para obter deslocamento na tabela add $t1, $s5, $s5 add $t1, $t1, $t1 # Calcula o endereço correto add $t1, $t1, $t4 lw $t0, 0($t1) # Vai para o endereço jr $t0 #Casos do switch L0: add $s0, $s3, $s4 j Exit L1: add $s0, $s1, $s2 j Exit L2: sub $s0, $s1, $s2 j Exit L3: sub $s0, $s3, $s4 Exit:

19 Modos de Endereçamento em MIPS Palavra de 32 bits Memória endereçada a byte Cada instrução tem 32 bits Os modos de endereçamento indicam como encontrar os operandos das instruções

20 Endereçamento por registrador Indica o endereço de um registrador 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits op rs rt rd funct Registradores Registrador Ex: add $s0, $t0, $t1 # $s0 = $t0 + $t1

21 Endereçamento base mais deslocamento Visa reduzir o tamanho das instruções e facilitar o processo de relocação de programas indica o endereço de um registrador (base) e um valor relativo à primeira instrução (deslocamento) endereço efetivo do dado 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits op rs rt Endereço Memória Registrador + Byte Meiapalavra Palavra Ex: lw $s1, 100($s2) # $s1 = 4 bytes em Memória [$s ] lb $s1, 100 ($s2) # coloca byte em Memória [$s2+100] nos 8 bits menos significativos de $s1 e estende o sinal lh $s1, 100 ($s2) # coloca 2 bytes em Memória [$s2+100] nos 16 bits menos significativos de $s1 e estende o sinal

22 Endereçamento imediato Constantes são utilizadas em programas para indexar arrays, contar iterações de loops, por exemplo Vários programas possuem mais de 50% de suas operações aritméticas envolvendo constantes Como acessar estas constantes? lw $t0, EndConst6($zero) # $t0 = constante 6 add $s5, $s5, $t0 # soma 6 a $s5

23 Endereçamento imediato Valor do dado é indicado diretamente no campo operando O dado é obtido junto com a instrução 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits op rs rt imediato Ex: addi $s5, $s5, 6 # $s5 = $s5 + 6

24 Instruções aritméticas e lógicas que utilizam endereçamento imediato addi rt, rs, imm andi rt, rs, imm ori rt, rs, imm xori rt, rs, imm slti rt, rs, imm

25 Endereçamento imediato Para constantes maiores que 16 bits utiliza-se a instrução lui (load upper immediate) Carrega constante nos bits superiores e preenche os inferiores com zero Ex: lui $t0,255 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits $t

26 Endereçamento imediato Qual o código em linguagem de máquina do MIPS para carregar a constante abaixo de 32bits no registrador $s0?

27 Endereçamento pseudo direto Utilizado para desvios incondicionais indica o endereço pela concatenação dos 26 bits da instrução com os 4 bits mais significativos do PC para formar palavra de 32 bits 6 bits op 26 bits Endereço Memória PC : Palavra Ex: j 10000

28 Endereçamento relativo ao PC Utilizado para desvios condicionais Utilizando o campo imediato (16 bits), nenhum programa poderia ser maior que 2 16 Solução: PC= Registrador + Endereço de desvio Registrador utilizado é o próprio PC Pode desviar no intervalo PC-2 15 a PC bits 5 bits 5 bits 16 bits op rs rt Endereço Memória PC + Palavra Ex: beq $s1, $s2, 25 # se ($s1 == $s2) desvia para PC # (cada instrução tem 4 bytes)

29 Compilando o comando while Loop: add $t1, $s3, $s3 add $t1, $t1, $t1 add $t1,$t1,$s6 lw $t0,0($t1) bne $t0, $s5, Exit add $s3, $s3, $s4 j Loop Exit: endereço instrução

30 Como desviar para mais longe Substitui-se a instrução beq, por bne e j Exemplo: beq $s1,$s2,l1 substituído por bne $s1, $s2, L2 j L1 L2:

31 Arrays e ponteiros Procedimento para zerar o conteúdo de um array utilizando índices de arrays clear1(int array[], int size) { int i; for (i = 0; i < size; i = i+1) array[i] = 0; } utilizando ponteiros clear2(int *array, int size) { int *p; for (p = &array[0]; p < &array[size]; p = p+1) *p = 0; }

32 Arrays e ponteiros - comparação do código gerado Código gerado para array Código gerado para ponteiro move $t0, $zero loop1: add $t1,$t0,$t0 add $t1,$t1,$t1 add $t2,$a0,$t1 sw $zero,0($t2) addi $t0,$t0,1 slt $t3,$t0,$a1 bne $t3,$zero,loop1 move $t0, $a0 add $t1,$a1,$a1 add $t1,$t1,$t1 add $t2,$a0,$t1 loop2: sw $zero,0($t0) addi $t0,$t0,4 slt $t3,$t0,$t2 bne $t3,$zero,loop2

33 Arquitetura X86 - Propriedades CISC Operações aritméticas podem ler/escrever da/na memória Endereçamento da memória podem envolver cálculos complexos D(Rb,Ri,S) Mem[Reg[Rb]+S*Reg[Ri]+D] D: deslocamento de 1,2 ou 4 bytes Rb: Registrador base: * possíveis registradores Ri: Registrador de índice: qualquer registrador S: Escala: 1,2, 4 ou 8

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