Forelesning Instruksjonstyper Kap 5.5

Transkript

1 TDT4160 Datamaskiner Grunnkurs Forelesning Instruksjonstyper Kap 5.5

2 Dagens tema Instruksjonstyper (5.5) Datatransport Datamanipulering Betingede hoppinstruksjoner Prosedyrekall Løkker I/O Eksempler

3 Instruksjonstyper To prosessorer kan være veldig forskjellig Likevel: Noen felles typer instruksjoner Datatransport Datamanipulering Sammenligninger og hoppinstruksjoner Prosedyrekall Løkker I/O

4 Datatransport Helt fundamental operasjon Snakker gjerne om move, selv om det egentlig er kopiering To årsaker Direkte instruksjoner Eks: A = B Move R0 R1 R2 Store Hovedlager Kopiering av effektivitetshensyn Eks: Kopier til register R3 Load

5 Datamanipulering: A = B op C ( Dyadic ) To operander lager ett resultat Aritmetiske operasjoner Addisjon, subtraksjon, multiplikasjon, divisjon I alle fall heltall Typisk maskinvarestøtte for flyttall (IEEE 754) Lite effektivt å håndtere i programvare Logiske (boolske) operasjoner 16 mulige, men ofte bare ADD, OR (og NOT)

6 Eksempler: AND og OR AND kan brukes for å hente ut noen bit av et ord OR kan brukes for å legge bit inn i ord

7 Datamanipulering: A = op C ( Monadic ) En operand lager ett resultat Skift Bit som skiftes ut, forsvinner Skift kan utføre mult/div med toerpotenser Konvertering fra parallell til seriell Rotering Bit som skiftes ut, kommer inn på andre siden Andre: INC, NEG

8 Betingede hoppinstruksjoner Hopp til gitt adresse hvis betingelse er tilfredsstilt Har sett hvordan adresse kan oppgis Betingelser Operand lik 0, Operand negativ, Vanskelig med betingelse + adresse i en instr. Vanlig med to instruksjoner: Sammenligning setter statusbit Betinget hoppinstruksjon sjekker statusbit og hopper CMP R0, #0 BEQ LOOP

9 Prosedyrekall Prosedyre = subrutine metode (java) To steg: Prosedyrekall og returnering Trenger derfor å lagre returadresse Hovedlager (dumt) Register (mindre dumt) Stakk (lurt) Rekursjon: Se rekursjon

10 Løkker (1/2) Løkker brukes ofte i programkode Kan derfor være lurt med egne instruksjoner Eksempel: En instruksjon som: Trekker 1 fra et register (implisitt el. eksplisitt) Sammenligner resultat med 0 Hopper hvis resultat (u)likt 0 To typer løkker: Test i starten av løkken (java: for, while) Test i slutten av løkken (java: do-while) Dermed blir løkken utført minst en gang

11 Løkker (2/2) Ser at test i starten gir mer overhead Likevel dumt å kreve at alle løkker bare skal ha test i slutten

12 I/O-instruksjoner Data overføres typisk mellom hovedlager og I/O-enhet Store variasjoner fra ISA til ISA 3 vanlige overføringsmodi Programstyrt Avbruddsinitiert DMA-overføring ( Direct Memory Access )

13 Programstyrt I/O Prosessor kjører program med I/O-instruksjoner Må sjekke I/O-enhet ofte nok til at data ikke mistes Aktiv venting ( Busy loop ) Tar mye unødvendig tid! Brukes bare hvis man har dedikert prosessor

14 Programstyrt I/O: Eksempel Busy Wait do-while

15 I/O-instruksjoner Må kunne overføre data til/fra eksterne enheter Kommuniserer via I/O-registre (I/O-porter) To alternativer: Uavhengig I/O Separat adresseområde i forhold til hovedlager Spesielle instruksjoner (Eks: in() og out() forrige foil) Lageravbildet ( Memory mapped ) Del av samme adresseområde som hovedlager Samme instruksjoner som mot hovedlager (Eks: LOAD/STORE) Eks: Adr Hovedlager; I/O Gir enklere instruksjonssett

16 Avbruddsinitiert I/O Programstyrt I/O Prosessor sjekker om data er klart Avbruddsinitiert I/O I/O-enhet sier ifra når data er klart Unngår å kaste bort prosessortid Adresse til avbruddsrutine Ikke-vektorisert: Fast, en for alle avbrudd Vektorisert: Avbruddskilde oppgir adresse Mer om avbrudd senere

17 Direct Memory Access (DMA) Mye dataoverføring gir prosessor lite tid til annet Kan ikke andre ta jobben? Direct Memory Access Overføring direkte til/fra hovedlager Prosessor tar seg kun av oppstart av overføring Enhet, startadresse, datalengde Prosessor kan dermed gjøre annet imens Men: Ikke aksessere hovedlager! DMA høyere prioritet enn CPU, kan ofte ikke vente DMA stjeler buss-sykler fra CPU cycle stealing

18 DMA-kontroller

19 Dagens oppgave Anta Skal lese 512 bytes fra en harddisk Dette tar 3200 ns Det tar 50 ns å behandle et avbrudd Oppgave a) Avbruddsinitert I/O Avbrudd genereres for hver 32 byte Hvor stor andel av tiden bruker CPU på avbrudd? Oppgave b) DMA Avbrudd genereres bare når overføring er ferdig Hvor stor andel av tiden bruker CPU på avbrudd?

20 Eksempel: Pentium 4 Mange instruksjoner Fra 8088 til 32-bit Figur viser en liten del 2-adresseinstruksjoner Maks en er hovedlageradr. Støtte for BCD Støtte for strenger Støtte for løkker REP, REPZ, REPNZ Bakoverkompatibilitet

21 Eksempel: UltraSPARC III (1/2) Færre instr. enn P4 De fleste vist til høyre LOAD / STORE Egne aritmetiske instr. som ikke setter flagg Gjør det enklere å bytte rekkefølge på instr. Population Count Teller antall 1ere i et ord

22 Eksempel: UltraSPARC III (2/2) Mangler en del vanlige instruksjoner Men disse kan simuleres vha. andre instruksjoner Bruker ofte at register G0 alltid inneholder 0