ARQUITECTURA DE COMPUTADORES

1. ARQUITECTURA DE COMPUTADORES Semestre A-2009 Clase 13

2. AGENDA • 2do Examen Parcial: Martes 30/06/2009 • Repaso • Ejercicios

3. Estado CPU Computador → Máquina de estado • Un computador es sólo una gran máquina de estados. • Los registros, memoria cache, memoria RAM y discos duros guardan el estado. • El procesador se mantiene leyendo y actualizando el estado, de acuerdo a las instrucciones de algún programa.

4. MemWrite Read address Read data Write address MemRead Data memory Write data Read address Instruction [31-0] Instruction memory Memorias • Resulta más sencillo utilizar dos memorias rápidas para almacenar datos e instrucciones de forma separada. A esta forma de distribución de la memoria se le conoce como Arquitectura Harvard. • Debido a que se manejarán palabras de 32 bits, se podrán direccionar 230 palabras. • Las lineas azules representan señales de control. MemRead y MemWrite deben colocarse en 1 si se va a leer o si se va a escribir a memoria, respectivamente.

5. Add 4 PC Leer dirección Instrucción [31-0] Memoria deInstrucciones Búsqueda de instrucción(fetching) • El procesador se encuentra siempre en un lazo infinito, buscando instrucciones en memoria y ejecutándolas. • El registro contador de programa o registro PC almacena la dirección de la instrucción en ejecución. • Las instrucciones MIPS son todas de 4 bytes de largo: 32 bits. Es por ello, que el PC debe ser incrementado de 4 en 4 (Para leer la siguiente instrucción, en secuencia)

6. Formato de instrucción R • Las instrucciones aritméticas registro a registro, utilizan el formato de instrucción R. • op es el código de instrucción, y func especifica una operación aritmética particular. • rs, rt y rd son los dos registros fuentes y el registro destino • Un ejemplo de una instrucción y su codificación es: add$s4, $t1, $t2

7. Leer registro 1 Leer data 1 Leer registro 2 Leer data 2 RegWrite Escribir registro Registros Escribir data ALU ALUOp Registros y ALUs • Las instrucciones de formato de instrucción R, deben acceder a los registros y a la UAL. • Nuestro Archivo de registros almacena 32 valores de 32 bits. • Cada indicador de registro tiene 5 bits. • Se puede leer de dos registros al mismo tiempo. • RegWrite es 1 si se va a escribir en un registro

8. Leerregistro 1 Leer data 1 ALU RegWrite Zero Leer registro 2 Leer data 2 Resultado Escribir register Registros ALUOp Escribir data Ejecución en el formato de instrucción R 1. Se lee una instrucción desde la memoria de instrucciones. 2. Los registros fuente, indicados por los campos rs y rt, se leen desde el archivo de registros. 3. La UAL realiza la operación correspondiente. 4. El resultado es guardado en el registro de destino, el cual es especificado por el campo rd de la instrucción. Leer dirección Instrucción [31-0] I [25 - 21] I [20 - 16] Memoria de Instrucciones I [15 - 11]

9. Formato de instrucción I • Las instrucciones lw, sw y beq instructions utilizan el formato de instrucción I. • rt es el destino para lw, pero una fuente para beq y sw. • dirección es una constante, con signo, de 16 bits. • Dos ejemplos: lw$t0, –4($sp) sw$a0, 16($sp)

10. RegWrite MemToReg MemWrite Leer dirección Instrucción [31-0] I [25 - 21] Leer registro 1 Leer data 1 ALU Leer dirección Leer data 1 M u x 0 I [20 - 16] Zero Leer registro 2 Memoria de Instrucciones Leer data 2 0 M u x 1 Resultado Escribir address 0 M u x 1 Escribir registro Memoria de Datos Escribir data Registros I [15 - 11] ALUOp Escribir data MemRead ALUSrc RegDst I [15 - 0] Signo extend Acceso a datos de memoria • Para una instrucción como lw $t0, –4($sp), el registro base $sp es sumado a la constante de extensión de signo para obtener la dirección de memoria final. • Esto significa que la UAL debe aceptar: o un operando de registro para una instrucción aritmética, o un operando inmediato con signo extendido para las instrucciones lw y sw. • Agregaremos un multiplexor, controlado por ALUSrc, para seleccionar un operando de registro (0) o un operando constante (1).

11. I [25 - 21] I [20 - 16] RegWrite MemToReg MemWrite Leer dirección Instrucción [31-0] Leer registro 1 Leer data 1 ALU Leer dirección Leer data 1 M u x 0 Zero Leer registro 2 Memoria deInstrucciones Leer data 2 0 M u x 1 Resultado Escribir dirección 0 M u x 1 Escribir registro Memoriade Datos Escribir data Registros I [15 - 11] ALUOp Escribir data MemRead ALUSrc RegDst I [15 - 0] Signo extend De memoria a registro • La entrada “Escribir data” del archivo de registros, tiene un problema similar. Debe ser capaz de guardar, ya sea la salida de la UAL, en una instrucción R; o el dato de memoria para una instrucción lw. • Añadiremos un multiplexor, controlado por MemToReg, para escoger entre guardar el resultado de la UAL (0) o el dato de salida de memoria (1) para los registros.

12. RegWrite MemToReg MemWrite Leer dirección Instrucción [31-0] I [25 - 21] Leer registro 1 Leer data 1 ALU Leer dirección Leer data 1 M u x 0 I [20 - 16] Zero Leer registro 2 Memoria deInstrucciones Leer data 2 0 M u x 1 Resultado Escribir dirección 0 M u x 1 Escribir registro Memoriade Datos Escribir data Registros I [15 - 11] ALUOp Escribir data MemRead ALUSrc RegDst I [15 - 0] Signo extend RegDst • Una molestia final es el registro destino de lw, el cual se encuentra en rt, en lugar de en rd. • Añadiremos un multiplexor adicional, controlado por RegDst, para seleccionar el registro destino, desde el campo de instrucción rt (0) o desde el campo rd (1).

13. Saltos • Para las instrucciones de salto, la constante no es una dirección, sino un desplazamiento de instrucción desde el contador de programa actual, hasta la dirección deseada. beq $at,$0,Etiq add $v1, $v0, $0 add $v1, $v1, $v1 j Etiq Etiq: add $v1, $v0, $v0 • La dirección destino Etiq está tres instrucciones después de beq, por lo que la codificación de la instrucción de salto tendrá 0000 0000 0000 0011 como campo de dirección. • Las instrucciones tienen 4 bytes de largo, por lo que el desplazamiento real es de 12 bytes.

14. Pasos al ejecutar beq 1. Buscar la instrucción (Fetch) en memoria, como por ejemplo: beq $at, $0, desplazamiento 2. Leer los registros fuente, $at y $0, desde el archivo de registros. 3. Comparar los valores, restándolos en la UAL. 4. Si la resta es 0, Los operandos fuente eran iguales y se debe cargar en el PC la dirección destino: PC + 4 + (desplazamiento x 4). 5. Si la resta no es 0, no se debe ejecutar el salto, y el PC sólo debe ser actualizado a PC + 4 para buscar la siguiente instrucción en secuencia.

15. 0 M u x 1 Add PC 4 Add Shift left 2 PCSrc RegWrite MemToReg MemWrite Leer dirección Instruction [31-0] I [25 - 21] Leer registro 1 Leer data 1 ALU Leer dirección Leer data 1 M u x 0 I [20 - 16] Zero Leer registro 2 Memoria deInstrucciones Leer data 2 0 M u x 1 Resultado Escribir dirección 0 M u x 1 Escribir registro Memoriade Datos Escribir data Registros I [15 - 11] ALUOp Escribir data MemRead ALUSrc RegDst I [15 - 0] Signo extend Hardware para saltos Necesitamos un segundo sumador, ya que la UAL está ocupada haciendo la resta para beq.  PCSrc = 1 # salto a PC+4+(offset4)  PCSrc = 0 continúa a PC+4. Multiplicación constante por 4, para obtener el desplazamiento

16. 0 M u x 1 Add PC 4 Add Shift left 2 PCSrc RegWrite MemToReg MemWrite Leer dirección Instrucción [31-0] I [25 - 21] Leer registro 1 Leer data 1 ALU Leer dirección Leer data 1 M u x 0 I [20 - 16] Zero Leer registro 2 Memoria deInstrucciones Leer data 2 0 M u x 1 Resultado Escribir dirección 0 M u x 1 Escribir registro Memoriade Datos Escribir data Registros I [15 - 11] ALUOp Escribir data MemRead ALUSrc RegDst I [15 - 0] Signo extend El camino de datos final

17. Control • La unidad de control es la responsable de darle valores a las señales de control para que cada instrucción se ejecute correctamente. • La entrada de la unidad de control son los 32 bits de la instrucción. • Su salida son los valores para las señales de control del camino de datos. • La mayoría de las señales pueden ser generadas a partir, únicamente, del opcode, sin requerir el resto de bits de la instrucción.

18. Tabla de señales de control • sw y beq son las únicas instrucciones que no escriben en registros. • lw y sw son las únicas instrucciones que utilizan un campo constante. Ellas también dependen de la UAL para calcular la dirección de memoria efectiva. • ALUOp para el formato R depende del campo de instrucciones func. • La señal de control PCSrc (no listada) debe ser establecida si la instrucción es beq y la salida Zero de la UAL es 1.

19. RegWrite ALUOp MemWrite RegDst I [31 - 26] ALUSrc I [5 - 0] MemToReg Leer dirección Instrucción [31-0] Control Memoria deInstrucciones MemRead PCSrc Zero Señales de control generales • La unidad de control requiere 13 bits de entrada. • Seis bits del opcode de instrucción. • Seis bits del campo de instrucción func. • La salida Zero de la UAL. • La unidad de control genera 10 bits de salida, correspondientes a las señales mencionadas en la lámina anterior.

20. Instrucciones aritméticas

21. Instrucciones lógicas

22. Instrucciones de transferencia de datos

23. Instrucciones de salto condicional

24. Instrucciones de salto incondicional

25. Ejemplo 1 Programa en C: int f, g = 3, h = 1; int i = 4, j = 4; if (i==j) f=g+h; else f=g-h; Programa en ensamblador: addi $s1,$zero,3 addi $s2,$zero,1 addi $s3,$zero,4 addi $s4,$zero,4 bne $s3,$s4,Else add $t0,$s1,$s2 j Fin Else:sub $t0,$s1,$s2 Fin:

26. Ejemplo 2 Programa en C: int i = 0, j = 5; while (vector[i]==j) i+=1; Programa en ensamblador: li $s1,0 li $s2,0 # vector en $s6=0x10010040 While: sll $t1,$s1,2 add $t1,$t1,$s6 lw $t2,0($t1) bne $t2,$s2,Fin addi $s1,$s1,1 j While Fin:

27. Ejemplo 3 Programa en C: x = 0; for(int i=0;i<100;i++) { x = x+i; } Programa en ensamblador: li $s1,0 # i = 0 li $s2,0 # x = 0 For: slti $t0,$s1,100 beq $t0,$zero,Fin add $s2,$s2,$s1 addi $s1,$s1,1 j For Fin:

28. Tarea • Realizar un programa en lenguaje ensamblador MIPS, que calcule el factorial de un número (De manera no recursiva). • Realizar un programa en lenguaje ensamblador MIPS, que calcule la multiplicación de dos números a través de sumas sucesivas.