Architettura degli Elaboratori Architettura degli Elaboratori

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Matteo Baldoni Architetture degli Elaboratori 1

Corso di Corso di

Architettura degli Elaboratori Architettura degli Elaboratori

Il livelo ISA:

ISA IJVM, tipi di dati e formato delle istruzioni

Matteo Baldoni Dipartimento di Informatica Università degli Studi di Torino C.so Svizzera, 185 – I-10149 Torino [email protected] http://www.di.unito.it/ ~baldoni

Progettare l'ISA Progettare l'ISA

Ponte tra l'hardware e il software:

Forte correlazione tra hardware e livello ISA

Forte correlazione tra livello hardware, ISA e i ideatori di compilatori Garanzia di compatibilita`

con modelli precedenti (vedi esempio Intel) per questioni di marketing (i programmi precedenti devono continuare a funzionare!) ISA per sistemi embedded

Matteo Baldoni Architetture degli Elaboratori

Progettare l'ISA Progettare l'ISA

ISA e tecnologia:

facilmente realizzabile con la tecnologia corrente

facilmente realizzabile con la tecnologia futura(!) Facilmente utilizzabile dai compilatori (traduttori automatici) e che

permettano la generazione di codice efficiente

Pubblicazione delle specifiche ISA

Modalita` kernel o utente

Interpretazione Interpretazione

Interprete (JavaScript, Scheme, Prolog):Interazione.

Più facile modificare un programma durante l'esecuzione

Sparc/Solaris

Apple Codice Sorgente

Interprete Sparc/Solaris

Interprete MacOS

Interprete Intel/GNU-Linux

Intel/GNU-Linux Intel/Windows

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Traduzione o compilazione Traduzione o compilazione

Compilazione (Pascal, C, Ada, C++):Efficienza di esecuzione. Il codice generato dal

compilatore può essere ottimizzato, perché la compilazione è fatta una sola volta

Compilatore Sparc/Solaris

Compilatore MacOS

Compilatore Intel/GNU-Linux

binario binario

binario

Intel/GNU-Linux Intel/Wind

Apple Sparc/Solaris Codice Sorgente

Memoria Memoria

Importanza dell'allineamento

Indirizzamento per area dati e programmi

Hardware supplementare per estrazione delle informazioni non allineate

Registri Registri

Non tutti i registri visibili al livello della microarchitettura sono visibili a livello ISA (es. TOS e MAR del Mic-1 non sono visibili a livello ISA)

Registri ad applicazione particolare (SP, PC, ecc) e registri ad applicazione generale (OPC, ecc): i programmatori e i compilatori devono attenersi alle eventuali convenzioni di utilizzo

Registri visibili a livello kernel: es. il registro dei flag o Program Status Word (PSW) contenente i condition codes (N, Z, V, C, A, P, livello di priorita` CPU, livello di abilitazione degli interrupt e altri ancora)

ISA IA-32 Intel (cenni) ISA IA-32 Intel (cenni)

E` l'architettura ISA a 32 bit dell'80386, estesa poi con il set di istruzioni MMX (per la multimedialita`)

Modalita` reale (come un 8088), modalita` 8086 virtuale (ambiente isolato per l'esecuzione dei programmi 8088) e modalita` protetta di esecuzione con quattro livelli di protezione (tra cui kernel e utente)

Memoria: 16384 segmenti da 2³² – 1 indirizzi (solitamente e` utilizzato un solo segmento)

Solitamente i SO: spazio lineare di 2³² byte

Formato little endian

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ISA IA-32 Intel (cenni) ISA IA-32 Intel (cenni)

I registri sono organizzati in modo da garantire la possibilita` di emulare 8088, 80286 (e in parte 8080!)

ISA UltraSparc (cenni) ISA UltraSparc (cenni)

Architettura RISC a 64 bit (in origine a 32 bit)

Memoria: 2⁶⁴ indirizzi, solitamente spazio lineare di 2⁶⁴ byte

Formato big endian (ma possibile anche little endian)

Due gruppi di registri: 32 registri (64 bit) generici e 32 registri floatin-point

Meccanismo del register window

Architettura load/store: le unicheoperazioni con accesso diretto alla memoria sono LOAD e STORE, le istruzioni per spostare i dati fra i registri e la memoria, tutti gli operandi (inclusa la destinazione) per le istruzioni aritmetiche e logiche devono provenire da registri

ISA JVM (cenni) ISA JVM (cenni)

Memoria organizzata in quattro regioni: frame delle variabili locali, lo stack degli operandi, l'area del metodo e la constant pool come visto sull'esempio IJVM

Heap per la memorizzazione di oggetti dinamici o di grosse dimensioni (int a[] = new int[4096];)

Runtime storage allocator e garbage collector

Macchina a stack pura: richiede una grande quantita` di accessi alla memoria ma ISA e` estremamente semplice ed elegante

Implementazioni hardware relativamente semplici

(ricordiamoci che Java era nato per programmare prodotti di tipo consumer!)

Tipi di dati Tipi di dati

Supporto hardware per un particolare tipo di dati:

presenza di istruzioni che si aspettano i dati in un dato formato

Numeri interi complemento a due, i numeri floating point secondo lo standard IEE 754, i caratteri secondo la codifica ASCII sono un tipo di dati e la maggior parte dei livelli ISA per processori di uso corrente offre istruzioni per il loro trattamento

Simulazione software per i tipi di dati non supportati

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Tipi di dati numerici Tipi di dati numerici

Tipicamente 8, 16, 32 e 64 bit

Numeri interi unsigned e signed

Numeri floating point: 32, 64, 80, 128 bit

Standard IEEE 754 e istruzioni ISA dedicate alla gestione di di tale formato standard

Binary code decimal format introdotto nel COBOL (hardware dedicato, esempio IBM System 360): 4 bit per ogni cifra decimale

Tipi di dati non numerici Tipi di dati non numerici

Codifica ASCII (7 bit ed in seguito 8 bit)

Codifica UNICODE (16 bit)

Istruzione speciali del livello ISA per la gestione di stringhe (la maggior parte delle applicazioni degli eleboratori è quella dell'elaborazione di informazione non numerica!)

Valori Booleani: vero (1) e falso (0)

Bit map

Puntatori: indirizzo di memoria

Panoramica supporto tipi di dati Panoramica supporto tipi di dati

Pentium II

(Un)Signed integer: 8, 16 e 32 bit

Binary coded decimal integer: 8 bit

Floating point: 32 e 64 bit

Manipolazione di caratteri ASCII di 8 bit

UltraSPARC II

(Un)Signed integer: 8, 16, 32 e 64 bit

Floating point: 32, 64 e 128 bit

JVM:

Signed integer: 8, 16, 32 e 64 bit

FLoating point: 32 e 64 bit

Manipolazione di caratteri UNICODE di 16 bit

Formato delle istruzioni Formato delle istruzioni

Formati comuni delle istruzioni:

(a) zero indirizzi

(b) un indirizzo

(c) due indirizzi

(d) tre indirizzi

Lunghezza omogenea per facilitare la decodifica

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Formato delle istruzioni Formato delle istruzioni

Criteri per la progettazione del formato delle istruzioni:

l'insieme delle istruzioni deve poter essere esteso facilmente nel futuro per includere nuove istruzioni

tecnologia con cui è realizzato il calcolatore (ma tenendo conto delle future possibili evoluzioni)

Istruzioni corte vs istruzioni lunghe:

spazio occupato dai programmi

larghezza di banda della memoria (CPU molto più veloci della capacità di fornire istruzioni da parte della memoria)

avvio di più istruzioni possibili all'esecuzione in un ciclo di clock

La lunghezza è una scelta fondamentale!

Formato delle istruzioni Formato delle istruzioni

Codici dedicati agli opcode: meglio prevederne di più di quelli necessari ma questo implica occupare spazio

Spazio riservato agli indirizzi nelle istruzioni: maggiore risoluzione della memoria vs istruzioni più lunghe

Bilanciamento della dimensione degli indirizzi con la risoluzione della memoria

Attualmente la maggior parte delle moderne

implementazioni adottano una risoluzione di 8 bit (ma leggono la memoria in blocchi di 1, 2, 4 o più parole alla volta con necessità di hardware di scomposizione del blocco di bit letti per l'accesso ai singoli byte)

Espansione degli opcode Espansione degli opcode

Bilanciare il numero di istruzioni: numero di istruzioni vs risoluzione della memoria e numero di operandi

Opcode più corti per le istruzioni più frequenti o quelle che necessitano di più operatori

Problemi con l'allineamento delle istruzioni

Pentium II Pentium II

Risente della compatibilità all'indietro

Tecnica del prefisso (gli opcode erano finiti!): ecape code

Lunga e complessa decodifica

Molte istruzioni poco utilizzate

Allineamento in memoria difficile

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UltraSPARC II UltraSPARC II

Istruzioni di 32 bit allineate in memoria

Successivamente si sono aggiunti nuovi formati (incomincia a risentire della compatibilità all'indietro?)

Due bit iniziali per aiutare a determinare il tipo di istruzione

JVM JVM

Si predilige il codice compatto

Machina a stack pura

Opcode di un byte

ILOAD speciali per offset di 0, 1, 2, 3

Tecnica del prefisso (esempio WIDE)

JVM JVM

34 byte!

42 byte!

2 byte vs 4 byte