Conjunto de Instruções. Alisson Brito

Transcrição

1 Conjunto de Instruções Alisson Brito 1 1

2 O que é o Conjunto de Instruções? Instruction Set Architecture (ISA) Interface entre Programas e CPU A coleção completa de instruções reconhecidas pela CPU Programas ISA CPU Também chamada de Código de Máquina Ponto inicial na definição de qualidade do sistema 2 2

3 Classificação

4 CISC x RISC Duas abordagens: Complex Instruction Set Computer (CISC) Linguagem de máquina mais próximas às linguagens de alto nível Mais poder dos compiladores de gerar códigos otimizados Facilidade de programação Programas menores Surgiu na época da Crise do Software (1968) Dificuldade em se desenvolver problemas complexos de forma clara, eficiente, reusável Reduced Instruction Set Computer (RISC) 4

5 Reduced Instruction Set Computer Em geral, instruções mais complexas são pouco chamadas pelos programas Instruções mais simples geram programas maiores Mas, cada instrução é decodificada e executada mais rapidamente Unidade de Controle pode ser mais simples Projeto mais barato Poucas variedades de instruções Previsibilidade é essencial para o pipeline (a seguir) 5

6 Elementos de uma instrução ( code Código da operação (Op Faça isso! Referência para o(s) operando(s) de origem Usando esses operandos! Referência para o(s) operando(s) de resultado Guarde o resultado aqui! Referência para a próxima instrução Quando terminar isso, faça aquilo! Alisson Brito@UFPB'

7 O que determina um conjunto de instruções? Modelo de memória Tipo de dados Formato das instruções Tipo de instruções Modos de endereçamento 7

8 Modelo de Memória 8

9 De onde e para onde vão os operandos? ( cache Memória principal (ou memória virtal, ou Algum registrador de CPU Ou Dispositivo de Entrada e Saída Alisson Brito@UFPB'

10 Decisões de projeto Alinhada x não alinhada Espaço de endereçamento separado para instruções e dados? Se sim, precisará de instruções diferentes para busca de dados e de instrução Endereça 2 vezes mais instruções Instrução especial para controle de acesso a mesma posição de memória? Ou deixa para hardware gerenciar conflito? 10

11 Decisões de projeto (2) Ordem dos bytes Little endian (Intel), big endian (TCP/IP, IBM) ou misto? Registradores Propósito geral e específico Quantidade RISC adota muitos registradores para reduzir acesso a memória Cache Tamanho RISC adota poucas opções de tamanho 11

12 TIPOS DE DADOS 12

13 Tipos de dados Endereços Números Inteiros, Pontos flutuantes, decimais Precisão? Com, ou sem sinal? Caracteres ASCII, Unicode Instruções especiais? Cópia, busca, concatenação, edição Dados lógicos Booleanos e mapas de bits Alisson Brito@UFPB'

14 Tipos de dados Decisões sobre tipos de dados determina como compiladores vão tratar dados dos programas Se máquina não oferece, compilador deve manipular dados do programa de outra maneira Programadores preferem eles mesmos escrever diretamente como seus dados vão ser tratados! Quanto mais tipos de dados, maior a complexidade do projeto Para cada tipo de dado existente, deve haver instruções para manipulá-los 14

15 Tipos de Dados no Pentium 8 bits: Byte 16 bits: word 32 bits: double word 64 bits: quad word Endereçamento é feito por unidades de 8 bits Acesso alinhado à memória Isso evita fragmentação e facilita o acesso Alisson Brito@UFPB'

16 Tipos específicos de dados Gerais conteúdo binário arbitrário Inteiro valor binário com, ou sem sinal de 8 a 32 bits Decimal desempacotado dígito decimal (0 a 9) representado em 3 bits. Decimal empacotado representação de 2 digitos num byte (0 a 99) Apontador endereço de 32 bits ( seguir Ponto flutuante (ver a Alisson Brito@UFPB'

17 Ponto flutuante no Pentium 3 opções: 32 bits com significado de 23 bits: bits com significado de 52 bis: bits com significado de 63 bits: Alisson Brito@UFPB'

18 Formato das instruções 18

19 Representação de uma instrução Em código de máquina, todas instruções possuem o mesmo padrão de bits Facilita a decodificação pela CPU Para os programadores, uma representação simbólica é usada Ex: ADD, SUB, LOAD Operandos também podem ser representados assim: ADD A,B Alisson Brito@UFPB'

20 Formato de uma instrução simples 20

21 Tipos de Instrução ( aritmético ) Processamento de dados ( principal Armazenamento de dados (memória ( E/S ) Movimentação de dados Controle do fluxo de programa (laços, repetições, ( saltos 21

22 Ciclo de Instrução Alisson 22 22

23 Quantidade de endereços Com 3 endereços: Operando 1, Operando 2, Resultado a = b + c; Talvez até um quarto: indicando explicitamente a próxima instrução 4 endereços não é muito comum! Precisa de palavras muito longas para armazenar tudo É sempre bom que uma instrução caiba numa única palavra para evitar que seu carregamento seja lento 23

24 Quantidade de endereços Com 2 endereços Um dos endereços é duplicado e usado como operando e resultado: a = a + b Reduz tamanho da instrução Requer trabalho extra Como executar a operação a = b + c, neste caso? Variáveis temporárias serão necessárias! 24

25 Quantidade de endereços Com 1 endereço Segundo endereço explícito ( acumulador ) Geralmente um registrador Todas operações envolvem o registrador AC como um dos operandos Todo resultado é armazenado em AC também. Comum nas primeiras máquinas Alisson Brito@UFPB'

26 Quantidade de endereços Sem endereços Todos endereços são implícitos Usa uma pilha Para executar, c = a + b, executa-se: push a push b add // essa é a instrução sem endereços pop c Alisson Brito@UFPB'

27 Qual a quantidade ideal de endereços? Mais endereços: (? rápidas Instruções mais complexas (mais Pode usar mais registradores Operações entre registradores são mais rápidas Menos instruções por programa Menos endereços: (? lentas Instruções menos complexas (mais Mais instruções por programa O carregamento e a execução das intruções são mais rápidos Já que instruções menores são mais fáceis de transportar e decodificar Alisson Brito@UFPB'

28 Decisões de Projeto Diferentes formatos ou uniforme? Várias opções de quantidade endereço, ou única? Número de bits para os endereços Palavras longas exigem endereços menores Dificuldade em representar dados pequenos (menor resolução) Tamanho do código de operação? Único ou variável? Grande: diferentes opções de operação Pequeno: Rápida decodificação Instruções menores 28

29 Tipos de Instrução 29

30 Tipos de Operação Transferência de dados Aritmética Lógica Conversão E/S Controle de sistema Transferência de controle Alisson 30 30

31 Transferência de dados Devem ser especificados a origem, destino e a quantidade de dados Pode haver diferentes instruções para diferentes ( IBM movimentações (como máquinas Se envolver endereço de memória: Determina endereço de memória Efetua conversão entre endereço real e virtual Verifica memória cache Inicia leitura/escrita na memória Alisson Brito@UFPB'

32 Operação aritmética Adição, subtração, multiplicação, divisão Inteiros com sinal Ponto flutuante Pode incluir o valor absoluto, incremento, decremento e negação Pode envolver transferência de dados antes e/ou depois da operação Executada pela ULA Atualiza códigos de condição (dizendo se o resultado ( zero foi menor que zero ou Alisson Brito@UFPB'

33 Operação de Deslocamento e Rotação Deslocamento artimético trata bits como número inteiro e não desloca sinal Alisson Brito@UFPB'

34 Óperações Lógicas Operações orientadas a bits: AND, OR, NOT, XOR Alisson Brito@UFPB'

35 Conversão Conversão de tipos Exemplo: Binário para decimal Alisson 35 35

36 Entrada/Saída Podem ter instruções específicas Podem ser feitas usando instruções de movimentação de dados Apenas o endereço é que muda (E/S mapeada em ( memória ( DMA ) Pode ser feito por um controlador separado Alisson Brito@UFPB'

37 Controle de Sistema Apenas por programas em áreas privilegiadas da memória Usado basicamente pelos Sistemas Operacionais Exemplos: Modificação de registradores de controle Ler ou modificar uma chave de proteção da memória ( IBM (usados pela Acesso a blocos de controle de processos Alisson Brito@UFPB'

38 Transferência de controle Desvio (branch) condicional ou incondicional Ex: salte para x caso resultado seja zero Chamada a subprograma ( return ) Retorna ao programa principal ( operation Não faz nada (no ( halt ) Parar a execução do programa ( wait ) Esperar condição Alisson Brito@UFPB'

39 Instrução de desvio (branch) Alisson 39 39

40 Chamadas de Procedimento Alisson 40 40

41 Uso da Pilha Alisson 41 41

42 Modos de Endereçamento 42

43 Modos de endereçamento (resumo) Imediato A = B + 2 Direto Acesso usando endereço de memória A = B + 2 Direto por Registrador Largamente usado em computadores Load/Store R1 = R2 + R3 Indireto Primeiro acesso direto traz um novo endereço, e precisa refazer acesso a memória (2 acessos) A = (B)

44 Endereçamento indireto Opcode Instrução Endereço A Memória Apontador do oper. Operando Alisson Brito@UFPB'

45 Modos de endereçamento (resumo) Indireto por registrador Acesso feito a um registrador, que contém endereço de memória a ser acessado A = (R1) + 2 Indexado Base + deslocamento (constante) A = (R2+3) + R1 Alto nível: A = R2[3] + R1 Pilha 45

46 Endereçamento Indireto por Registrador Opcode Instrução Endereço do registrador R Memória Registradores Apont. para operando Operando 46

47 Endereçamento por deslocamento Opcode Regist. R Instrução Endereço A Memória Registradores Apont. Operando + Operando 47

48 Cálculo de endereços no Pentium 48

49 Formato de instruções no Pentium Alisson 49

50 RISC X CISC 50

51 Uso das instruções por programas típicos Atribuições e loops prevalecem Call e Return consomem mais recurso por acessar bastante memória Variáveis escalares locais são as mais usadas Procedimentos com poucos (6) parâmetros e poucas variáveis locais (6), e poucas chamadas aninhadas (pouco acesso a pilha) 51

52 Consequências Criar ISA mais próximo às linguagens de alto nível não é muito eficaz Melhor investir na otimização de instruções mais usadas para gerar programas que usam menos recursos 52

53 Características RISC Grande banco de registradores Pipeline longo Conjunto de instruções reduzido Uma instrução por ciclo Instruções tipo Registrador-Registrador Acesso a memória apenas por instruções load/store Endereçamento e formato de instruções simples 53

54 Técnicas RISC Janelas de registradores Uma para cada procedimento manter seus parâmetros e variáveis locais Funciona como espécie de buffer de dados Semelhante a Cache, mas com menor overhead Usar Cache para instruções e registradores para dados Otimização do uso de registradores por compilador: Utiliza coloração de grafos: Tenta colorir nós vizinhos (registradores de mesma janela) com cores diferentes 54

55 Técnicas CISC Pipeline longo Em torno de 20 estágios Investimento em multithreading Simultaneos Multithreading (SMT) Memória cache em Chip Emissão e Entrega fora de ordem Renomeação de registradores Previsão de desvio e execução expeculativa Very Large Instruction Word (VLIW) 55

56 Processadores RISC - mobile David Patterson, RISC vs CISC War in PostPC Eras,

57 Conjunto de Instrução Intel IA-32 MMX SSE SSE2 SSE3 SSE4 Arquitetura x86 486, Pentium Pentium II Pentium 4 Pentium 4 Prescott Intel Core 2 Resolução 32 bits 32bits 32bits 32bits 64bits 64bits Instruções Melhorias Instruções especiais para dados com 64bits 8 novos registrado res de 128 bits Inteiros de 128 bits. Emissão de 2 instruções por ciclo. 32 novos registrado res 57

58 Processadores CISC (Intel) Intel Core i3 Intel Core i5 Intel Core i7 Intel Xeon Núcleos Threads Clock (GHz) 1,4 2,6 2,5 2,4 Cache 3M 3M 8M 30M ISA AVX (64bits) AVX (64bits) AVX (64bits) SSE4.1 (64bits) Preço sugerido US$250,00 US$266,00 US$1096,00 US$4616,00 58