Organización del Computador I Verano MIPS (1 de 2) Basado en el capítulo 3 del libro de Patterson y Hennessy Verano 2004 Profesora Borensztejn.

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1 Organización del Computador I Verano MIPS (1 de 2) Basado en el capítulo 3 del libro de Patterson y Hennessy Verano 2004 Profesora Borensztejn

2 Lenguajes para la máquina
Las computadoras son circuitos electrónicos, por lo tanto para hablar con ellas se necesita enviarles señales eléctricas Las señales viajan por los circuitos electrónicos que están formados por (millones de) transistores. Los transistores son interruptores que, en función del valor de la señal eléctrica que los controla, dejan o no pasar esa señal. Por eso a su salida habrá dos posibles valores: estos valores se pueden representar simbólicamente con los dígitos cero y uno. Los símbolos cero y uno se llaman bits.

3 Transistores: ¿que podemos hacer con algunos pocos de ellos?
Con sólo dos: convertir un 1 en un 0 (y viceversa): hacer una puerta NOT Con 4 transistores podemos hacer una puerta lógica NAND o NOR. Con estas puertas elementales se puede construir cualquier función. Un computador no es más que un conjunto (grande) de funciones de un conjunto (grande) de entradas (señales)

4 Lenguajes para la máquina
En realidad, el lenguaje máquina está formado por números en base 2! Tanto los datos como las instrucciones se codifican como números en base 2. Cada máquina (o familia de máquinas) tiene su propio lenguaje máquina. Los lenguajes máquina,en realidad, no difieren mucho entre sí, debido a que: la tecnología de implementación de los circuitos es la misma para todos los fabricantes Todas las máquinas deben proporcionar un repertorio básico de instrucciones (sumar, por ejemplo). Asi que, no se preocupen, lo que aprendan de MIPS será totalmente diferente en INTEL (orga2)

5 Lenguajes Máquina Una computadora, está formada por
La Unidad de Proceso y Control (es donde nos vamos a centrar en este curso) implementa un conjunto de funciones (de propósito general) a través de millones de transistores. Imposible de entender mirando lo que hace cada transistorNecesitamos una abstracción Processor I/O Control Datapath Memory Input Output

6 Abstracciones Lenguaje ensamblador: Lenguajes de alto nivel permiten:
Notación más humana que los números binarios Requiere una instrucción por línea Lenguajes de alto nivel permiten: Facilidad al programar Menor tiempo de desarrollo (mayor productividad) Independencia del computador

7 MIPS Machine without Interlocked Pipelined Stages
Arquitectura diseñada por Hennessey, en 1980, guiada por los siguientes principios: La simplicidad favorece la regularidad Más pequeño es más rápido (menos es mas) Hacer rápido el caso común Objetivos de diseño: maximizar rendimiento y reducir costos Usado por: NEC, Nintendo, Silicon Graphics, Sony.

8 Aritmética MIPS Todas las instrucciones tienen 3 operandos
El orden de los operandos es fijo (primero el destino) Ejemplo: código C: A = B + C código MIPS: add $s0, $s1, $s (el compilador asocia las variables a los registros)

9 Aritmética MIPS Principio de Diseño: la simplicidad favorece la uniformidad. Operaciones con número de operandos variables complica el hardware. Pero esto complica algunas cosas código C: A = B + C + D; E = F - A; código MIPS: add $t0, $s1, $s2 add $s0, $t0, $s3 sub $s4, $s5, $s0 Los operandos deben ser registros, y solo hay 32 registros. Los registros son de 32 bits Principio de Diseño: cuanto más pequeño, mas rápido.

10 Registros vs Memoria Las instrucciones aritméticas deben tener sus operandos en registros, de los cuales la arquitectura provee 32. El compilador realiza la asociación de variables con registros. ¿Que sucede con los programas que tienen muchas variables? El compilador intenta mantener las variables usadas más frecuentemente en registros. Aquellas menos usadas se guardan en memoria. El proceso de poner estas variables en memoria se llama spilling. Los registros tienen menor tiempo de acceso que la memoria, y además son mas útiles porque se puede operar con ellos. El compilador, para obtener un rendimiento alto, debe hacer un uso eficiente de los registros.

11 Organización de la Memoria
Se ve como un vector muy largo de una dimensión. Cada posición tiene asociada una “dirección”. Una dirección de memoria es un índice al vector. "Byte addressing" significa que el índice apunta a un byte de memoria. 8 bits of data 1 8 bits of data 2 8 bits of data 3 8 bits of data 4 8 bits of data 5 8 bits of data 6 8 bits of data ...

12 Organización de la Memoria
4 8 12 32 bits of data 4 8 12 En general, los datos son de una longitud mayor que un byte4 bytes: se llaman words en MIPS. La memoria se puede ver como un vector de: 232 bytes con direcciones (de byte) que van desde 0 a 232-1 230 words con direcciones (de byte) 0, 4, 8, Los words están alineados en memoria: Es decir, los dos bits menos significativos de una dirección de memoria que identifica a un word son cero. La organización de un word en memoria se llama “big endian” (en contraposición con “little endian”): consiste en almacenar el byte de mas peso del word en la dirección más baja de memoria. ...

13 Instrucciones para leer/escribir datos en memoria
Load: carga de un operando de memoria a registro Store: almacenamiento de un operando de registro a memoria Ejemplo: C código: A[8] = h + A[8]; MIPS código: lw $t0, 32($s3) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 32($s3) El destino en la instrucción de Store está al final. Recordar: operandos aritméticos no pueden estar en memoria.

14 Hasta ahora: MIPS — carga de words pero direccionamiento a nivel de byte — aritmética solo en registros Instrucción Significado add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3 sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 – $s3 lw $s1, 100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1, 100($s2) Memory[$s2+100] = $s1

15 Control Instrucciones para la toma de decisiones
Alteran el flujo secuencial del programa “Controlan” el orden de ejecución de las instrucciones del programa Instrucciones MIPS de salto condicional: bne $t0, $t1, L1 beq $t0, $t1, Ll Ejemplo: if (i= = j) h = i + j; bne $s0, $s1, Ll add $s3, $s0, $s1 Ll: ....

16 Control Intrucción MIPS de salto incondicional j Ll
Ejemplo: if (i!=j) beq $s4, $s5, L h=i+j; add $s3, $s4, $s5 else j L h=i-j; L1: sub $s3, $s4, $s5 L2: ... Como sería un bucle for? for (i=0;i<10;i++) h=h+i;

17 Hasta Ahora: Instrucción Significado add $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 + $s3 sub $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 – $s3 lw $s1,100($s2) $s1 = Memory[$s2+100] sw $s1,100($s2) Memory[$s2+100] = $s1 bne $s4,$s5,L Siguiente instr.en L si $s4!=$s5 beq $s4,$s5,L Siguiente instr.en L si $s4 =$s5 j L Siguiente instr.en L

18 Control: Saltar si Menor?
Instrucción SetLessThan: if $s1 < $s2 then $t0 = 1 slt $t0, $s1, $s2 else $t0 = 0 Usamos la instrucción SLT para construir el salto si menor que: "blt $s1, $s2, L “ slt $t0, $s1, $s2 bne $t0, $zero, L El registro $zero se corresponde con el registro 0 que está cableado a cero. El compilador MIPS construye todas las variantes de saltos condicionales utilizando las instrucciones bne, beq y slt. De esta manera, se aplica el criterio de simplicidad: la incorporación de estas instrucciones alargaría el tiempo para ejecutar una instrucción: se prefieren dos instrucciones rápidas frente a todas mas lentas. Board work: Binary Numbers 2

19 Instrucción Jump Register
Instrucción MIPS jr: sirve para saltar a la dirección contenida en el registro especificado. jr $t0 Permite implementar la sentencia switch Se implementará con una Tabla que contiene las direcciones (etiquetas) de los distintos trozos de código correspondientes a cada caso. (Tabla de direcciones de salto). 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; }

20 Implementación de la sentencia switch
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; } ; comprueba si k>0 y k<4 slt $t3, $s5, $zero Bne $t3, $zero, fin slt $t3, $s5, $t2 ;multiplica $s5 (k) por 4 ;para acceder a la Tabla add $t1,$s5,$s5 add $t1,$t1,$t1 ;cargar la dirección de Tabla[k] add $t1,$t1,$t4 lw $t0,0($t1) ;saltar a la instrucción jr $t0 L0: add $s0,$s3,$s4 J fin L1: add $s0,$s1,$s2 L3: sub $s0,$s1,$s2 L3: sub $s0,$s3,$s4 Fin: Las variables f a k se corresponden con $s0..$s5, $t2 contiene 4. La variable k se usará como índice a la tabla de etiquetas.La tabla se almacena a partir de la dirección guardada en $t4

21 Constantes Constantes pequeñas son usadas muy frecuentemente (52% de los operandos son contantes pequeñas en gcc) por ej: A = A + 5; B = B + 1; C = C - 18; Soluciones: Almacenar algunas constantes típicas en memoria, y luego cargarlas. lw $t0,dir_constante($zero) add $s1,$t0,$t0 Crear constantes cableadas en registros (como $zero). Incorporar a MIPS versiones de instrucciones en los cuales un operando es una constante y dicha constante, de 16 bits, está almacenada en la instrucción. addi $s1, $s1, 4 slti $s2, $s3, andi $t0, $t2, 6 3

22 ¿Constantes mas grandes?
LUI (load upper immediate) almacena los 16 bits mas altos de una constante en un registro. lui $t0, Luego se suma al registro la parte baja de la constante utilizando una instrucción aritmética con operando inmediato ori $t0, $t0, Se llena con ceros ori

23 Caracteres y Bytes Un carácter se representa mediante el código standard ASCII (American Stantard Code for Information Interchange)

24 Caracteres Instrucciones para leer y escribir bytes:
Lb: carga un byte de memoria y lo sitúa en los 8 bits más bajos del registro (derecha) Sb: lee el byte que está a la derecha en el registro especificado y lo escribe en memoria. Los caracteres se combinan en cadenas: en C, el fin de una cadena se marca con un byte cuyo valor es cero (carácter Null) lb $t0, 0($sp) sb $t0, 0($gp)

25 Strcpy strcpy: ; direcciones de x e y en $a0 y $a1 ; se usa $s0 para i
sub $sp, $sp, 4 sw $s0, 4($sp) ;inicializa i en cero add $s0,$zero,$zero L1: ;guarda la direccion de y[i] en $t1 add $t1,$a1,$s0 ;carga y[i] en $t2 lb $t2,0($t1) ;guarda la direccion de x[i] en $t3 add $t3,$a0,$s0 ;guarda $t2 en x[i] sb $t2,0($t3) ;aritmética de punteros addi $s0,$s0,1 bne $t2, $zero, L1 ;restaura los valores antiguos ; y retorna lw $s0, 4($sp) add $sp, $sp, 4 jr $ra void strcpy(char x[],char y[]) { int i; i=0; while ((x[i]= y[i])!=0) i=i+1; }

26 Soporte para procedimientos
Mecanismo de llamada y retorno de un procedimiento: Paso de parámetros a través de un lugar conocido Transferencia de control a la subrutina Ejecución del código de la subrutina Situar el resultado en un lugar conocido Retornar el control al punto de origen $a0..$a3 Instrucción MIPS: jal dirección_subrutina Ejecución del código de la subrutina $v0-$v1 $ra: contiene la dirección de retorno. La instrucción jr $r0 devuelve el control al programa llamador.

27 Instrucciones JAL y JR (call y return)
Jump and Link: salta y enlaza Cambia el valor del PC por la dirección especificada en la instrucción y almacena en el registro $r0 la dirección de retorno (PC+4). La instrucción JR $r0 se utiliza para el retorno del procedimiento

28 La Pila ¿Que sucede si el programa necesita utilizar más registros (temporales) para hacer cálculos? El compilador puede usarlos, siempre y cuando preserve los valores que tenían antes de invocarse el procedimiento. Para preservar los valores, se vuelcan los registros en memoria (spilling). El lugar idóneo para realizar el spilling (vuelco) es una estructura de datos en memoria llamada pila: una cola donde el último que entra es el primero que sale. Los programas MIPS reservan un registro, $sp (stack pointer), que es el puntero al tope de la pila: es decir, apunta a la posición de memoria donde se ha almacenado el último dato.

29 Ejemplo de una función ejemplo: ; salvar los registros $s0,$t0 y $t1 sub $sp, $sp, 12; * sw $t1, 8($sp) sw $t0, 4($sp) sw $s0, 0($sp) ;realiza el cálculo de f ;y lo deja en $s0 add $t0,$a0,$a1 add $t1,$a2,$a3 sub $s0,$t0,$t1 ;copia $s0 en $v0 (reg. de retorno) add $v0,$s0,$zero ;restaura los valores antiguos ; y retorna lw $s0, 0($sp) add $sp, $sp, 12 jr $ra int ejemplo(int g,int h,int i,int j) { int f; f=(g+h)-(i+j); return f; } Las variables g a j se corresponden con $a0..$a3, y f se corresponde con $s0. $sp $s0 0($sp) $t0 4($sp) $t1 8($sp) $sp Antes de instrucción *

30 Convenciones Los compiladores establecen una convención en el uso de los registros para evitar salvar y restaurar registros cuyo valor nunca se usa. $t0..$t9: 10 registros temporales cuyo valor no es preservado por el procedimiento invocado $s0..$s7: 8 registros que si deben ser salvados si son utilizados por el procedimiento invocado Además, recordamos que: $a0..$a3: 4 registros para paso de parámetros $v0..$v1: 2 registros para devolver resultados $sp: registro puntero a pila $ra: registro que guarda la dirección de retorno

31 Procedimientos anidados
B C Si B recibe de A en $a0..$a4 sus parámetros, deberá salvarlos en la pila antes de llamar a C c Lo mismo sucede con la dirección de retorno, y con todos los registros temporales que cada procedimiento deba seguir usando despues de la llamada. El invocador apila sus registros de argumentos ($a0..$a4) y temporales ($t0..$t9). El invocado apila el registro $ra y cualquier registro salvado $s0..$s7 usado por el invocado. El puntero a la pila ($sp) se ajusta a la cantidad de registros salvados. Antes del retorno, se restauran los registros y $sp se ajusta al valor inicial (el que recibió).

32 Bloque de Activación Las variables locales a los procedimientos que no caben en los registros, tales como tablas o estructuras, también se almacenan en la pila. El conjunto de información almacenada en la pila es: Argumentos (si hay mas de 4) Dirección de Retorno Registros Salvados Variables Locales El bloque de pila que contiene esa información se denomina Bloque de Activación y los programas pueden utilizar un registro, el $fp, como puntero al Bloque.

33 Bloque de Activación El puntero $fp, a diferencia de $sp, se mantiene fijo durante toda la ejecución del procedimiento, brindando un registro base estable para acceder a parámetros y variables. Argumentos $FP Dirección de Retorno Registros Salvados $SP Variables Locales

34 Convenciones

35 Resumen

36 Compilación, Ensamblage, Linkedición y Carga
Programa .c Programa .s Compilador Ensamblador Objeto .o Librerías de rutinas Montador Cargador Ejecutable (LM) Memoria

37 Ensamblador Traduce pseudoinstrucciones, por ejemplo
Convierte el programa en lenguaje ensamblador en un programa objeto: instrucciones en lenguaje máquina datos Información para situar las instrucciones en memoria El programa objeto está compuesto por 6 secciones: Cabecera Segmento de Texto Segmento de Datos Información de reubicación Tabla de Símbolos Información para depuración move $t0, $t1 Es traducida a: add $t0,$zero, $t1

38 Montador, Linker Une distintos programas objeto en un único ejecutable
Útil para reutilizar código ya ensamblado (por ejemplo, librerías de rutinas standard) Funciones: Sitúa simbólicamente en memoria los datos y el código Determina las direcciones de los datos y de las etiquetas de instrucciones Resuelve las referencias externas El archivo ejecutable consta de: Cabecera: indica el tamaño de los sementos de código y datos Segmento de código Segmento de datos Datos estáticos Datos dinámicos Pila

39 Convención MIPS de distribución de memoria
$sp 7fff ffff Pila Datos Dinámicos $gp Datos Estáticos Código pc Reservado

40 Cargador Para ejecutar el programa, el sistema operativo realiza las siguientes acciones: Lee la cabecera del archivo ejecutable para determinar el tamaño de los segmentos de código y de datos Crea un espacio de direcciones para albergar el programa, y copia las instrucciones y los datos a este espacio Copia en el segmento de pila, los argumentos del programa Inicializa los registros: el $sp, $gp Salta a una rutina de inicio (start-up routine) que a su vez llama al programa main y cuando este finaliza, llama a una rutina de salida (exit system call)

41 FIN MIPS