Arquitectura de Computadores Y86 Instruções

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1 Arquitectura de Computadores Y86 Instruções Créditos Randal E. Bryant António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM

2 Arquitectura do Jogo de Instruções Linguagem de montagem Estado do processador Registos, memória, Instruções addl, movl, leal, Codificação da instruções Níveis de Abstracção Superior: como programar Execução sequencial Inferior: requisitos Técnicas execução rápida Múltiplas instruções Programa de Aplicação Compilador SO Jogo de Instruções Desenho de CPU Desenho de Circuitos Arranjo de Integrado António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 2

3 Y86 - Estado do Processador Registos Programa %eax %ecx %edx %ebx %esi %edi %esp %ebp Códigos condição OF ZF SF PC Memória Registos de Programa Os mesmos (8) do IA32 (32 bits) Códigos de Condição Instruções aritméticas e lógicas Condição de bit - simples» OF: Transbordo ZF: Zero SF: Negativo Contador de Programa Endereço da próxima instrução Memória Sequência de octetos endereçáveis Ordem little-endian António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 3

4 Y86 - Instruções António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 4

5 Y86 - Jogo de Instruções Octeto nop 0 0 halt 1 0 rrmovl ra, rb 2 0 ra rb irmovl V, rb rb V rmmovl ra, D(rB) 4 0 ra rb D mrmovl D(rB), ra 5 0 ra rb D OPl ra, rb 6 fn ra rb jxx Dest 7 fn Dest call Dest 8 0 Dest ret 9 0 pushl ra A 0 ra 8 popl ra B 0 ra 8 addl 6 0 subl 6 1 andl 6 2 xorl 6 3 jmp 7 0 jle 7 1 jl 7 2 je 7 3 jne 7 4 jge 7 5 jg 7 6 António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 5

6 Y86 - Instruções 1 a 6 octetos de informação lidos da memória Leitura do 1º octeto determina o comprimento da instrução Esquema de codificação mais simples que o IA32 Menos tipos de instruções Acedem e modificam partes do estado do programa António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 6

7 Codificação dos Registos ID 4 bits para identificação Mesmo formato que o IA32 ID = 8 para não registo Utilizada em múltiplas fases do projecto do processador %eax %ecx %edx %ebx %esi %edi %esp %ebp António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 7

8 Exemplo de Instrução Instrução de adição Forma Genérica addl ra, rb 6 0 ra rb Codificação Soma o valor no registo ra com o valor no registo rb Guarda o resultado no registo rb Operandos e resultados no Y86 apenas em registos Ajuste dos códigos de condição baseado no resultado e.g., addl %eax,%esi Codificação: Codificação em dois octetos 1. Tipo de instrução 2. Registos na origem e no destino António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 8

9 Operações Lógicas e Aritméticas Código Instrução Código Função Soma addl ra, rb 6 0 ra rb Subtração (ra de rb) E subl ra, rb 6 1 ra rb Comummente OPl Apenas diferem no código função Ajuste dos códigos de condição, por efeito lateral andl ra, rb 6 2 ra rb Ou exclusivo xorl ra, rb 6 3 ra rb António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 9

10 Operações Mover rrmovl ra, rb 2 0 ra rb Registo --> Registo irmovl V, rb rb V Imediato --> Registo rmmovl ra, D(rB) 4 0 ra rb D Registo --> Memória mrmovl D(rB), ra 5 0 ra rb D Memória --> Registo Idêntica à instrução movl no IA32 Formato mais simples para endereçar a memória Uso de nomes diferentes para facilitar a distinção António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 10

11 Instruções Mover - Exemplos IA32 Y86 Codificação movl $0xabcd, %edx irmovl $0xabcd, %edx cd ab movl %esp, %ebx rrmovl %esp, %ebx movl -12(%ebp),%ecx mrmovl -12(%ebp),%ecx f4 ff ff ff movl %esi,0x41c(%esp) rmmovl %esi,0x41c(%esp) c movl $0xabcd, (%eax) movl %eax, 12(%eax,%edx) movl (%ebp,%eax,4),%ecx António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 11

12 Instruções de Salto Salto Incondicional jmp Dest 7 0 Dest Salto se Menor ou Igual jle Dest 7 1 Dest Salto se Menor jl Dest 7 2 Dest Salto se Igual je Dest 7 3 Dest Salto se Não Igual jne Dest 7 4 Dest Salto se Maior ou Igual jge Dest 7 5 Dest Salto se Maior jg Dest 7 6 Dest Comummente jxx Apenas diferem no código função Baseadas nas condições de código Idênticas às equivalentes em IA32 Codificam endereços de destino absolutos Diferente do endereço PC-relativo no IA32 António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 12

13 Y86 - Pilha de Programa Endereços Crescentes Base Topo %esp Região de memória com dados de programa Usado no Y86/IA32 para suporte à chamada de funções Topo de pilha em %esp Endereço do elemento no topo Pilha cresce para endereços mais baixos Elemento no topo tem o endereço mais alto da pilha Para inserir elemento diminui-se o apontador de pilha Para retirar elemento incrementase o apontador de pilha António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 13

14 Operações na Pilha pushl ra a 0 ra 8 Diminui %esp (- 4) Salvaguarda ra no endereço em %esp Idêntico ao IA32 popl ra b 0 ra 8 Retira palavra da memória em %esp Salvaguarda em ra Incrementa %esp (+ 4) Idêntico ao IA32 António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 14

15 Chamada/Retorno de Sub-rotina call Dest 8 0 Dest Insere endereço da próxima instrução na pilha Inicia execução de instruções em Dest Idêntico ao IA32 ret 9 0 Retirar valor da pilha Usado como endereço para a próxima instrução Idêntico ao IA32 António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 15

16 Miscelânea de Instruções nop 0 0 Não faz nada halt 1 0 Termina a execução de instruções O IA32 tem uma instrução comparável, mas não pode ser executada em modo utilizador Usada para parar o simulador António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 16

17 Y86 - Escrita de Código Usar o compilador C quanto Possível Escrever código em C Compilar para IA32 usando gcc -S Transcrever para Y86 Exemplo de Codificação Descobrir o número de elementos de uma lista terminada por nulo int len1(int a[]); a António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 17

18 Y86 - Geração de Código - Exemplo #1 Começar por Usar código com listas /* Encontrar o número de elementos de uma lista terminada por nulo */ int len1(int a[]) { int len; for (len = 0; a[len]; len++) ; return len; } Problema Difícil indexar no Y86 Porque não tem modos de endereçamento indexáveis e escaláveis L18: incl %eax cmpl $0,(%edx,%eax,4) jne L18 Compilar com gcc -O2 -S António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 18

19 Y86 - Geração de Código - Exemplo #2 Em seguida Usar código com apontadores /* Encontrar o número de elementos de uma lista terminada por nulo */ int len2(int a[]) { int len = 0; while (*a++) len++; return len; } Resultado Prescindir de indexação L24: movl (%edx),%eax incl %ecx L26: addl $4,%edx testl %eax,%eax jne L24 Compilar com gcc -O2 -S António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 19

20 Y86 - Geração de Código - Exemplo #3 Código IA32 Arranque CódigoY86 Arranque len2: pushl %ebp xorl %ecx,%ecx movl %esp,%ebp movl 8(%ebp),%edx movl (%edx),%eax jmp L26 len2: pushl %ebp # Salva %ebp xorl %ecx,%ecx # len = 0 rrmovl %esp,%ebp # define limites mrmovl 8(%ebp),%edx# Obtém a mrmovl (%edx),%eax # Obtém *a jmp L26 # Salta para L26 António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 20

21 Y86 - Geração de Código - Exemplo #4 Código IA32 Ciclo + Ajuste Código Y86 Ciclo + Ajuste L24: movl (%edx),%eax incl %ecx L26: addl $4,%edx testl %eax,%eax jne L24 movl %ebp,%esp movl %ecx,%eax popl %ebp ret L24: mrmovl (%edx),%eax # Obtém *a irmovl $1,%esi addl %esi,%ecx # len++ L26: # Entrada: irmovl $4,%esi addl %esi,%edx # a++ andl %eax,%eax # *a == 0? jne L24 # Sai-ciclo rrmovl %ebp,%esp # Ajusta rrmovl %ecx,%eax # Retn len popl %ebp ret António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 21

22 Y86 Estrutura de Programa.pos 0x0 irmovl Stack,%esp rrmovl %esp,%ebp irmovl List,%edx pushl %edx call len2 halt.align 4 List:.long 5043.long 6125.long 7395.long 0 # Função len2:... # Aloca espaço para a pilha.pos 0x100 Stack: # Início código # Inicia pilha # Delimita função # Insere argumento # Chama Funcão # Pára # Elementos Início do código Definir pilha Não sobrepor com código Definir os dados Podem usar-se nomes simbólicos António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 22

23 Y86 Simulação de Programa unix> yis eg.yo Simulador de jogos de instruções Calcula o efeito de cada instrução no estado do programa Mostra as mudanças de estado relativas ao estado inicial Stopped in 41 steps at PC = 0x16. Exception 'HLT', CC Z=1 S=0 O=0 Changes to registers: %eax: 0x x %ecx: 0x x %edx: 0x x %esp: 0x x000000fc %ebp: 0x x %esi: 0x x Changes to memory: 0x00f4: 0x x x00f8: 0x x x00fc: 0x x António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 23

24 Y86 Montagem de Programa unix> yas eg.ys Gera código objecto saída para eg.yo Resultado idêntico a saída de desmontagem (gas) 0x000: # Início código 0x000: irmovl Stack,%esp # Inicia pilha 0x006: 2045 rrmovl %esp,%ebp # Delimita função 0x008: irmovl List,%edx 0x00e: a028 pushl %edx # insere argumento 0x010: call len2 # Chama Função 0x015: 10 halt # Pára 0x018:.align 4 0x018: List: # Elementos 0x018: b long x01c: ed long x020: e31c0000.long x024: long 0 António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 24

25 Simulador - Controlo António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 25

26 Simulador Execução Vista da execução Vista da Memória António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 26

27 CISC - Jogos de Instruções Computadores com Jogos Complexos de Instruções Modelo dominante até meados dos anos 80 Jogos de instruções orientados à pilha Pilha usada para passar argumentos e salvaguardar o contador de programa Instruções de inserção e extracção explícita da pilha Instruções aritméticas ticas com acesso à memória addl %eax, 12(%ebx,%ecx,4) Implica a leitura e escrita da memória Cálculos complexos de endereços Códigos de condição Resultantes da execução de instruções aritméticas e lógicas Filosofia Juntar instruções para efectuar tarefas típicas de programação António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 27

28 RISC Jogos de Instruções Computador com Jogos Reduzidos de Instruções Projecto Interno da IBM - Hennessy and Patterson Menos instruções e mais simples Podem requerer mais tempo para efectuar uma tarefa Podem ser executadas por menos recursos e mais rapidamente Jogos de instruções orientados ao registo Mais registos (tipicamente 32) Para argumentos, valores temporários e de retorno Acesso à memória apenas para instruções ler/escrever Semelhante às instruções mrmovl e rmmovl no Y86 Não háh lugar para códigos c de condição Instruções de prova retornam valor 0/1 em registo António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 28

29 CISC vs. RISC Debate Original Opiniões radicalizadas CISC --- facilidades para compiladores, menos código RISC --- vantagem para compiladores optimizados que podem fazer correr mais rápido apesar do hardware simples Status Actual Nos processadores de secretária a escolha do ISA não é uma questão técnica Com hardware capaz tudo pode ser executado mais depressa O mais importante é a compatibilidade do código RISC projecto significativo em processadores embebidos Mais pequenos, mais barato e menor consumo potência António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 29

30 Discussão Y86 Arquitectura do Jogo de Instruções Estado e instruções similares ao IA32 Codificação simplificada A meio caminho entre os modelos CISC e RISC ISA Instruction Set Architecture (anglo-saxónico) Quão Importante é o Projecto ISA? Menor que no passado Com hardware capaz é sempre possível obter velocidade Intel está a repensar o IA32 Incompatível com a execução paralela Introdução do IA64» 64-bits para ultrapassar as limitações de endereçamento» Jogo de instruções com paralelismo explícito» Requer compiladores sofisticados António Pina e Luís Paulo Santos DI/UM 30