ITPE/DATS 2400: Datamaskinarkitektur og Nettverk

Transkript

1 ITPE/DATS 2400: Datamaskinarkitektur og Nettverk Forelesning 9: Instruksjonsettarkitektur 3 Knut H. Nygaard / T. M. Jonassen Institute of Computer Science Faculty of Technology, Art and Design Oslo and Akershus University College of Applied Sciences 02. Februar 2015

2 Oversikt 1 ARC 1 2 Flagg 3 Litt om flytkontroll 4 Funksjoner (subrutiner) 5 Formater - koder 6 Om adresser 7 Speedup - Ytelsesanalyse 8 Datapath/kontroll - intro 9 Datapath - to varianter 10 Kontrollenhet

3 Instruksjonstyper I Fire typer instruksjoner: Minne (load/store) Logiske operasjoner (AND, OR etc) Aritmetiske (ADD etc) Kontroll (CALL, JUMP etc) Hver instruksjon har sin egen forkortelse.

4 Instruksjonstyper II

5 Instruksjonstyper II Alle instruksjoner er på 32 bits. Registere er på 32 bits. Hvordan laste en konstant i et register/minne? Må gjøres i to operasjoner. sethi 22 bits først (mest signifikante). Deretter OR på minst signifikante bits.

6 Eksempel sethi 0x2AAEF3, %r2 or %r2, 0xDD, %r2 Merk: sethi simm22, rdst 22 bits for konstant, 10 bits for å spesifisere operasjon, og destinasjonsregister.

7 Et ARC eksempel! Legg sammen to tall! File: addnum.asm.begin.org 2048 andcc %r4, %r0, %r4 sethi 0x8, %r4 or %r4, 0x00, %r4 prog1: ld [%r4+0], %r1! Legg x i r1 ld [%r4+4], %r2! Legg y i r2 addcc %r1, %r2, %r3! r3 = r1 + r2 st %r3, [%r4+8]! Lagre r3 i z jmpl %r15 + 4, %r0! Avslutt! Data.org 0x2000! Dette er 8192 x: 15 y: 12 z: 0.end

8 sethi addnum.asm Hvordan finne argumentet til sethi, vi har: 2 13 = 8192 Binært: mest signifikante bits: Heksadesimalt: {}}{ Altså, argumentet til sethi i addnum.asm blir: 0x8 8

9 Flagg 1 Et flagg er ett bit (0 eller 1), kalles også betingelseskoder. Aritmetiske eller logiske instruksjoner kan sette disse. Vi legger da til cc til slutt i instruksjonen. Eksempler: add -> addcc sub -> subcc and -> andcc

10 Flagg 2 Fire flagg: Z : Null-flagg, settes hvis resultatet av en logisk eller aritmetisk instuksjon er null. N : Negativt-flagg, settes hvis mest signifikante bit (MSB) er 1. C : Mente-flagg, settes hvis det er mente ut på MSB, eller må lånes inn på MSB. V : Overflow-flagg, settes hvis resultatet ikke kan representeres som et 32-bits tall.

11 Flagg 3 Vi bruker flagg til å kontrollere program-flyt. Eksempler: ba : Alltid hopp, 1 bn : Aldri hopp, 0 bne : Hopp på ulik, NOT Z be : Hopp på lik, Z Se tabell 4.10, side 121.

12 Eksempel goto goto (Mye brukt i Fortran, kalles også spagetti-programmering, hvis mange goto). ARC kode: ba Merke Hopp alltid til Merke.

13 Eksempel if-else Konstruksjonen kan skrives som if (expr) kode1 else kode2; Vi antar expr : x==y, x i r1, y i r2. subcc %r1, %r2, %r0 bne Merke1! kode1 ba Slutt Merke1:!kode2 Slutt:!programmet fortsetter her

14 Eksempel while Konstruksjonen kan skrives som while (expr) kode; Eksempel: while (r1 == r2) r3++; ba Merke Sann: add %r3, 1, %r3 Merke: subcc %r1, %r2, %r0 be Sann

15 Eksempel for Konstruksjonen har form: for (kode1; kode2; kode3) kode4; Kan skrives som en while: kode1; while (kode2) { kode4; kode3; }

16 Call Instruksjoner: call - jmpl Ting å tenke på: Hvordan overføre parametere til funksjonen? Stack eller registere? Hva er mest effektivt? Hvordan returnere data fra funksjonen?

17 Eksempel Høynivå språk: int foo(int a, int b); Tar to heltalls arumenter, returnerer et heltall. int foo(int a, int b) { int c; } c = a + 2*b + a*b; return(c);

18 Format

19 Mer om koder To (tre) mest signifikante bit angir type. 00 sethi 00(0) forgrening 10 aritmetisk 11 minne (laod / store)

20 Adresserommet bruker 32 bits. Vi trenger 2 5 = 32, altså 5 bit per adresse. Derfor 3 registere bruker 15 bits. I tillegg trenger vi bits for å angi hva maskinen skal gjøre. (3-5 bits)

21 Ytelsesanalyse Kalles ofte benchmarking. En rekke faktorer spiller inn: Hardware. Problem type. Hva vi ønsker å sammenlikne. Skal se på en metrikk her.

22 Speedup 1 Eksempel på en metrikk for ytelse. Brukes til for eksempel å sammenlikne to maskiner. Kan brukes til å sammenlikne implementeringer av programmer. Metrikk hvor kjøretid er mål. Speedup sammenlikner to kjøretider, en med, og en uten forbedringer. Forbedring kan være i hardware, eller software.

23 Speedup 2 T wo kjøretid uten forbedring. T w kjøretid med forbedring. S speedup. Da er S definert som S = T wo T w Merk: Hvis T w < T wo så er S > 1. I prosent blir formelen for S S p = T wo T w T w 100%

24 Speedup 3 Eksempel 1: Hvis S = 2 blir S p = 100%. Eksempel 2: Anta vi bytter noe hardware på en maskin, og T wo = 21s mens T w = 14s, så er S = T wo T w = 21s 14s = 3 2 = 1.5 eller S p = 21s 14s 14s 100% = 7 100% = 50% 14

25 Speedup 4 Vi definerer følgende symboler: τ klokkeperode på maskin. CPI (gjennomsnittlig) antall klokkesykler per instruksjon. IC antall instruksjoner utført av programmet vi måler. Total kjøretid for programmet er da gitt ved T = IC CPI τ

26 Speedup 5 Dette gir oss følgende to formler, tilsvarende de vi hadde tidligere: og S = IC wo CPI wo τ wo IC w CPI w τ w S p = IC wo CPI wo τ wo IC w CPI w τ w IC w CPI w τ w 100%

27 Speedup 6 Eksempel: Vi bytter en CPU med CPI på 5, til en CPU med CPI på 3.5, men klokkeperioden øker fra 100ns til 120ns. (Ny CPU har mindre klokkefrekvens, nano=10 9 ). IC er lik i begge tilfeller. Da er S p = CPI wo τ wo CPI w τ w 100% CPI w τ w = 100% = % 19% 420

28 Introduksjon Vi skal se på datapath for ARC modellen To måter å lage kontrollenhet. En enklere modell for en datapath Senere microprogrammer for den siste modellen I dag bare en rask introduksjon

29 ARC-modellen

30 Enklere modell RW (1) D DA (3) 8 x 32 register fil AA (3) Konstant inn A B BA (3) 1 0 MUX B MB (1) A B Data inn Adresse MW (1) Cnt (4) ALU Data minne FS (4) F Data ut MD (1) 0 1 MUX D

31 To måter Microprogrammert (seksjon 5.3 i boka). Hardwired - altså i hardware (seksjon 5.4 i boka).

32 Microprogrammert

33 Hardwired

34 The End Spørsmål? Ingen forelesning fredag 6. februar grunnet næringslivsdag Neste forelesning mandag 9. februar kl PS35-PI254