Tema 5 Repertorios de instrucciones: Modos de direccionamiento y formato


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1 Tema 5 Repertorios de instrucciones: Modos de direccionamiento y formato Bibliografía: William Stallings Organización y Arquitectura de computadores 5ta. Edition. Editorial Pearson Educación.- Objetivos: Antes vimos: Qué hace una instrucción. Tipos de operandos y de operaciones que pueden especificarse mediante instrucciones de máquina. Ahora los aspectos a tener en cuenta: Cómo especificar la dirección de un operando.? Cómo se organizan los bits de una instrucción para definir las direcciones de los operandos y la operación que realiza dicha instrucción?

2 Contenidos: Modos de Direccionamiento Formatos de instrucciones Longitud de las instrucciones Asignación de los bits Instrucciones de longitud variable Direccionamiento: El campo de direcciones en un formato de instrucción esta bastante limitado. Seria deseable referenciar un rango elevado de posiciones en memoria principal o de memoria virtual. Existen diversas técnicas: Compromiso entre: Rango de direcciones y/o flexibilidad de direccionamiento Numero de referencias a memoria y/o complejidad de calculo de las direcciones.

3 Modos de direccionamiento 1.- Inmediato 2.- Directo 3.- Indirecto 4.- Registro 5.- Indirecto con registro 6.- Con desplazamiento (Indexado) 7.- Pila Notación a utilizar: A= Contenido de un campo de dirección en la instrucción. R= Contenido de un campo de dirección en la instrucción que referencia un registro. EA= Dirección real (efectiva) de la posición que contiene el operando que se referencia. (X)= Contenido de la posición X.

4 Consideraciones: Prácticamente todas las arquitecturas ofrecen mas de uno de estos modos. Problema a resolver: Como determina la unidad de control que modo de direccionamiento se esta utilizando en cada instrucción.? Codops diferentes emplean modos distintos Uno o mas bits pueden utilizarse como campo de modo. Este campo de modo indica que tipo de direccionamiento Otra cuestión: Dirección efectiva (EA). Sin memoria virtual: La EA es una dirección de memoria principal o un registro Con memoria virtual: La EA es una dirección virtual o un registro. La correspondencia real con una dirección física dependerá del mecanismo de paginación. No esta por tanto visible al programador. Direccionamiento inmediato (1.1) a) Modo de direccionamiento inmediato Codop Operando Este modo puede utilizarse para definir y utilizar constantes, o para fijar valores iniciales de variables. Normalmente el número se almacena en complemento a dos; el bit más a la izquierda del campo operando se utiliza como bit de signo.

5 Direccionamiento inmediato (1.2) El operando está en realidad presente en la propia instrucción: Operando = A e.j. ADD 5 Suma 5 al contenido del acumulador 5 es el operando No se requiere una referencia a memoria para obtener el operando, ahorrándose un ciclo Rápido / Mas sencilla Desventaja: Rango limitado. Tamaño del nro limitado a la long. del campo de direcciones, que es pequeño comparado con la longitud de la palabra. Direccionamiento Directo (2.1) Campo de direcciones contiene la dirección efectiva del operando EA= A e.j. ADD A Busca en memoria la dirección A para el operando Sólo requiere una referencia a memoria No necesita ningún cálculo especial Espacio de direcciones restringido

6 Diagrama de Direccionamiento Directo (2.2) Direccionamiento indirecto (3.1) Problema del modo anterior: La long. del campo de direcciones es normalmente < la longitud de la palabra- > limita el rango de direcciones. El campo de direcciones referencia la dirección de una palabra de memoria La palabra de memoria contiene la dirección completa del operando EA = (A) Mira en A, encuentra el contenido de A (A) y busca allí el operando e.j. ADD (A) Agrega el contenido de la celda apuntada por el contenido de A al acumulador

7 Diagrama de direccionamiento indirecto (3.2) Opcode Instruction Address A Memory Operand Diagrama de direccionamiento indirecto(4) Opcode Instruction Address A Memory Pointer to operand Operand

8 Direccionamiento indirecto (3.3) Espacio de direccionamiento grande Si N bits = longitud de la palabra, se dispone de un espacio de 2 N direcciones. Puede ser anidado, multinivel o en cascada e.j. EA = ((..(A)..)) Indicador de indirección : 0: contiene el valor de EA 1: se invoca otro nivel. Desventajas: La ejecución de la inst. requiere dos referencias a memoria para captar el operando: una para captar su dirección y otra para obtener su valor. Demasiado lento Direccionamiento de registro (4.1) El campo de direcciones referencia un registro, en lugar de una dirección de memoria principal. EA = R Un campo de direcciones que referencia a registros consta de 3 o 4 bits, ->pueden referenciarse un total de 8 o 16 registros de uso general Es necesario un campo pequeño de direcciones en la instrucción Instrucciones más cortas Instrucciones de captación más rápidas

9 Direccionamiento de registro(4.2) No se requieren referencias a memoria Ejecución muy rápida Desventaja: Espacio de direcciones muy limitado Las CPU modernas emplean múltiples registros de uso general. Requiere una buena programación en lenguaje ensamblador (ej. cuando se desarrollan compiladores) para conseguir una ejecución eficiente. Direccionamiento de registro(4.3) En caso de utilizar masivamente este tipo, los registros de la CPU se utilizan intensivamente. Debido a su numero limitado se deben utilizar eficientemente solo si tiene sentido. Ej: almacenamiento de resultados intermedios de un calculo. Implementación de un algoritmo de multiplicación en complemento a dos, una cierta variable se referencia muchas veces, y seria conveniente implementarla en registro en lugar de memoria principal.

10 Diagrama de Direccionamiento de registro (4.4 ) Instruction Opcode Register Address R Registers Operand Direccionamiento indirecto con registro (5) Es análogo al indirecto EA = (R) El operando está en una celda de memoria referenciada mediante el contenido del Registro R La limitación del espacio se supera: haciendo que R, referencie a una posición de palabra completa ( un registro), que contenga la dirección. Emplea una referencia menos a memoria que el direccionamiento indirecto.

11 Diagrama de Direccionamiento Indirecto con Registro (5.2) Instruction Opcode Register Address R Memory Registers Pointer to Operand Operand Direccionamiento con desplazamiento (6) Modo muy potente: combina direccionamiento directo e indirecto con registro. EA = A + (R) Requiere que las instrucciones tengan dos campos de direcciones, al menos uno de ellos es explícito. A = valor base, se utiliza directamente R = registro que contiene el desplazamiento, cuyo contenido se suma a A para obtener la dirección efectiva. o viceversa Tres versiones: Desplazamiento relativo Direccionamiento con registro base. Indexado.

12 Diagrama de direccionamiento con desplazamiento (6) Opcode Register R Instruction Address A Memory Registers Pointer to Operand + Operand Direccionamiento relativo (6.1) Es una versión del direccionamiento con desplazamiento R= Contador de programa, PC La dirección de instrucción actual se suma al campo de direcciones EA = A + (PC): La dirección efectiva es un desplazamiento relativo a la dirección de la instrucción. i.e. toma el operando de la celda A a partir de la localización corriente apuntada por el PC Si la mayoría de las referencias a memoria están próximas a la instrucción en ejecución, permite ahorrar bits de direcciones en la instrucción.

13 Direccionamiento con Registro Base (6.2) El registro referenciado contiene una dirección de memoria Y el campo de dirección contiene un desplazamiento desde dicha dirección R contiene un apuntador a la dirección de memoria base R (la referencia a registro) puede ser explícita o implícita Direccionamiento indexado (6.3) Es opuesto a la interpretación del registro-base. Registro referenciado contiene un desplazamiento positivo Campo dirección es una dirección de memoria principal=> contiene + bits que un campo de direcciones de una instr. comparable que emplee el método anterior El método para calcular EA en ambos es igual A = base R = contiene un desplazamiento positivo desde esa dirección EA = A + R Las referencias a registro pueden ser explicitas o implícitas. Mecanismo eficiente para ejecutar operaciones iterativas. EA = A + R R++

14 Direccionamiento indexado (6.4) Ejemplo: Dado una lista de nros. almacenados a partir de la posición A. Se quiere sumar 1 a cada elemento de la lista. Se necesita-> captar c/elemento, sumar 1 y memorizar el resultado. La secuencia de direcciones efectivas necesarias es: A, A+1, A+2,. El valor A se almacena en el campo de dirección de la instrucción; El registro elegido (registro índice) se inicializa a 0. Luego de c/operación, el registro se incrementa en 1. Esta operación puede hacerse automáticamente, como parte del ciclo de instrucción (autoindexado). Combinaciones (6.5) El autoindexado con incremento: EA = A + (R). (R)<- (R) + 1;

15 Combinaciones (6.5) El autoindexado con incremento: EA = A + (R). (R)<- (R) + 1; Hay dos posibilidades de indexación: Post-indexado (la indexación se realiza después de la indirección) EA = (A) + (R) Pre-indexado ( la indexación se realiza antes de la indirección) EA = (A+(R)) Un repertorio no incluye ambos tipos simultáneamente. Direccionamiento de Pila (7) Pila: Matriz lineal de posiciones Los elementos se añaden en la cabecera. La pila tiene asociado un puntero, cuyo valor es la dirección de la cabecera o tope de la pila. El puntero de pila se mantiene en un registro. Operando está (implícitamente) en el tope de la pila. Son de hecho, direcciones de acceso indirecto con registro. Las instrucciones maquina no necesitan incluir una referencia a memoria, operan implícitamente con la cabecera de la pila. Bastante comunes en microprocesadores.

16 Modos de direccionamiento del Pentium II Mecanismo de traducción de direcciones del Pentium II produce una dirección, Denominada dirección virtual o efectiva : es un desplazamiento dentro de un segmento. 12 modos de direccionamiento disponibles para permitir la ejecución eficiente de lenguajes de alto nivel. Inmediato Registro Con desplazamiento Base Base con desplazamiento Indice escalado con desplazamiento Base con índice y desplazamiento Base con índice escalado y desplazamiento Relativo Cálculos en el modo de direccionamiento del Pentium II

17 PowerPC Addressing Modes Carga/ memorizacion Indirecto Instructiones incluye un desplazamiento de 16 bits, que se suma a un registro base ( algunos de los registros de uso general). Puede reemplazar el contenido del registro base con una nueva dirección. Indirecto indexedo La instrucción referencia un registro base y otro índice, pudiendo ambos ser cualesquiera de los registros de uso general. EA es la suma de los contenidos de los dos registros. Direccionamiento de bifurcaciones Absoluto Relativo Indirecto Instrucciones aritméticas. Operando debe estar en un registro o bien formar parte de la instrucción. Para las operaciones aritméticas en coma flotante, todos los operandos se encuentran en registros decoma flotante, solo se utiliza direccionamiento de registros. PowerPC Memory Operand Addressing Modes

18 Como se organizan los bits de una instrucción: Formatos de instrucciones Descripción en bits de una instrucción en términos de las distintas partes que la componen. Incluye un código de operación (codop) Incluye (implícita o explícitamente) ninguno o algunos operandos. Cada operando explicito se referencia según los modos vistos. El formato debe indicar (implícita o explícitamente) el modo de direccionamiento para cada operando En la mayoría de los repertorios de instrucciones se emplea más de un formato de instrucción Existe una gran variedad de diseños de formatos Analizaremos aspectos claves del diseño: Longitud de instrucción (I) El aspecto de diseño mas básico a considerar. Afecta y se ve afectada por: Tamaño de memoria Organización de memoria Estructura de buses Complejidad de la CPU Velocidad de la CPU Programadores desean + codops + operandos +, modos de direccionamiento y > rango de direcciones) - > requiere de mas bits, y empuja hacia longitudes de instrucción mayores. Compromiso entre el deseo de disponer de un repertorio de instrucciones máquina potente y la necesidad de ahorrar espacio. Todo empuja a longitudes de inst. mayores, pero: Una long de 32 bits ocupa el doble de espacio de una de 16, pero probablemente no es el doble de útil.

19 Longitud de instrucción (II) Otra consideración: Debiera cumplirse que el tamaño de la instrucción fuera igual al tamaño de las transferencias a memoria ( tamaño del bus de datos). O que uno fuera un múltiplo del otro. Si así no fuera: no se consigue un nro. entero de instrucciones durante un ciclo de captación. Esto afecta la velocidad de transferencia de la memoria La velocidad del procesador ha aumentado mucho Cuello de botella: solución uso de memoria cache o de instrucciones mas cortas. Las instrucciones de 16 bits pueden captarse el doble de rápido que las de 32, pero no pueden ejecutarse el doble de rápido. Longitud de instrucción (III) Otra consideración: La longitud de la instrucción debiera ser un múltiplo de la long. de un carácter (8 bits) y de la long. de los nros en coma fija. La long. de palabra de memoria: unidad natural de organización. La palabra define normalmente el tamaño de los números en coma fija (gralmente coinciden) El tamaño de palabra suele coincidir, con el tamaño de transferencias a memoria. Seria deseable que una palabra almacenara un nro. entero de caracteres. SINO: Se perderían bits en cada palabra cuando se almacenan múltiples caracteres o, Habría caracteres partidos entre dos palabras. Por ej. IBM debió pasar de arquitecturas de 36 bits a las de 32 bits en la serie ( 700/7000)

20 Asignación de los bits ( I ) Otro aspecto a considerar: como asignar los bits en el formato de la instrucción? Relación clave entre codops y capacidad de direccionamiento. (+ codops bits direccionamiento) Existen codops de long. variable Factores que afectan la definición del uso dado a los bits de direccionamiento: Número de modos de direccionamiento Número de operandos Registros frente a memoria Número de conjuntos de registros Rango de direcciones Granularidad de las direcciones Asignación de los bits ( II ) Número de modos de direccionamiento Un modo puede indicarse de manera implícita ( indexación) Los modos explícitos requieren uno o mas bits de modo. Número de operandos Las instrucciones actuales permiten dos operandos. C/dirección de operando podria requerir su propio indicador de modo, o el uso del indicador de modo podrá estar limitado a solo uno de los campos de direcciones.

21 Asignación de los bits ( III ) Registros frente a memoria Maquina debe disponer de registros para traer los datos a la CPU para procesarlos. Con varios registros solo se necesitan unos pocos bits para especificar el registro. Diversos estudios indican que es aconsejable disponer de 8 a 32 registros visibles para el usuario. Número de conjuntos de registros Varias maquinas tienen un conj. de registros de uso general, que contiene 8 o 16 registros. Suelen emplearse para guardar datos y para almacenar direcciones para direccionamiento con desplazamiento. Tendencia actual: grupos de registros especializados. Asignación de los bits ( IV ) Rango de direcciones: Para referencia a memoria, este rango esta relacionado con el nro. de bits de direccionamiento. Esto impone limitación, raramente se emplea direccionamiento directo. En direccionamiento con desplazamiento: el rango se amplia al definido por la longitud del registro de direcciones. Es conveniente permitir desplazamientos bastantes mas largos que los del registro de direcciones y esto necesita de un nro. relativamente grande de bits de direcciones en la instrucción. Granularidad de las direcciones: Para direcciones que referencian a memoria en lugar de registros. Con palabras de 16 o 32 bits, una dirección puede referenciar una palabra o un byte, según elija el diseñador. El direccionamiento por bytes es conveniente para manipular caracteres, pero requiere, para un tamaño de memoria dado, de mas bits de direcciones.

22 Asignación de los bits ( IV ) Al momento de determinar la asignacion de bits en un formato: Gran cantidad de factores a tener en cuenta y sopesar. Instrucciones de longitud variable Esta táctica hace mas fácil proporcionar un amplio repertorio de codops de log. Variable. El direccionamiento puede ser mas flexible, con varias combinaciones de referencias a registros y a memoria y modos de direccionamiento. Desventajas: Aumento de complejidad de la CPU. CONCLUSION: El formato de instrucción define la forma de los distintos campos. Su diseño es una tarea dificil, que debe considerar la longitud de las instrucciones, fija o variable, los nros de bits de los codops y de cada referencia a operando y a la forma en que se determina el modo de direccionamiento

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