ΗΥ-225: Οργάνωση Υπολογιστών Άνοιξη 2015

Τμ. Επ. Υπολογιστών © Πανεπιστήμιο Κρήτης

Άσκηση 4:
Γλώσσα Μηχανής, Format Εντολών

κάντε την έως Τετάρτη 4 Μαρτίου 2015 (βδ. 4.2) (από βδ. 2.3)

[Up - Table of Contents] [Prev - 3. Memory Accesses]

[printer version - PDF] [5. Compare and Branch - Next]

Βιβλίο: Διαβάστε την §2.5: σελίδες 134-142.

4.1   Περίληψη Θεμάτων Γλώσσας Μηχανής του MIPS:

Εσωτερικά, ο υπολογιστής λειτουργεί μόνο με δυαδικές τιμές και σύμβολα. Έτσι, γιά να μπορέσει να εκτελεστεί ένα πρόγραμμα Assembly πρέπει αυτό να μεταφραστεί σε Γλώσσα Μηχανής, δηλ. σε δυαδικά σύμβολα. Τη μετάφραση αυτή κάνει ένα πρόγραμμα, ο Assembler. Όλες οι εντολές του MIPS, όπως και των άλλων υπολογιστών στυλ RISC, έχουν σταθερό μέγεθος 32 bits, και είναι ευθυγραμμισμένες σε λέξεις των 32 bits, δηλαδή οι διευθύνσεις τους είναι ακέραια πολλαπλάσια του 4 (άρα τα 2 LS bits τους είναι πάντα 0). Μέσα τους οι εντολές περιέχουν από 2 έως 6 πεδία (fields). Υπάρχουν 3 διαφορετικές μορφές εντολών· η μορφή (format) της κάθε εντολής καθορίζεται από το πρώτο πεδίο της εντολής, που ονομάζεται op (από "operation code" - κωδικός πράξης), έχει μέγεθος 6 bits, και είναι πάντα στην ίδια θέση (MS bits) γιά όλες τις εντολές. Φυσικά, με τα 6 bits που έχει, το πεδίο αυτό καθορίζει, εκτός από το format της εντολής, και ένα μέρος ή και ολόκληρο το opcode της εντολής, δηλαδή το τι πράξη ή ενέργεια πρέπει να εκτελέσει αυτή η εντολή. Οι τρείς μορφές εντολών είναι:

R-format:

Αυτό φαίνεται στη σελίδα 137 του βιβλίου (Α' τόμος Ελληνικής μετάφρασης από 4η Αμ. έκδοση), και αποτελείται, μετά το πεδίο op, από τρία πεδία των 5 bits καθένα που επιλέγουν έναν από τους 32 καταχωρητές καθένα, ένα πεδίο των 5 bits που δεν θα το χρησιμοποιήσουμε εμείς στο υποσύνολο των εντολών που θα μελετήσουμε, και ένα πεδίο μεγέθους 6 bits που αποτελεί επέκταση του op και λέγεται funct (function code).

I-format:

Αυτό φαίνεται στη σελίδα 138 του βιβλίου (Α' τόμος, 4η εκδ.), και αποτελείται, μετά το πεδίο op, από δύο πεδία των 5 bits καθένα που επιλέγουν έναν από τους 32 καταχωρητές καθένα, και ένα πεδίο μεγέθους 16 bits που λέγεται imm (immediate, ή offset, ή constant, ή address) και που περιέχει μία "άμεση" σταθερή ποσότητα (συχνά προσημασμένη - signed).

J-format:

Αυτό φαίνεται στη σελίδα 171 του βιβλίου (Α' τόμος, 4η εκδ.), και περίεχει, μετά το πεδίο op, ένα πεδίο "target" μεγέθους 26 bits που προσδιορίζει μεγάλο μέρος μιας πλήρους διεύθυνσης μνήμης.

Οι εντολές του MIPS, το format τους, και τα opcodes τους φαίνονται και στις σελίδες A-49 έως A-70 του παραρτήματος Α του βιβλίου, από παλαιότερη Αμερικανική έκδοση, που υπάρχει στο αρχείο: ~hy225/spim/documentation/HP_AppA.pdf   Καταχωρητές "πηγής" (source registers) λέμε αυτούς που η εντολή τους διαβάζει κατά τη διάρκεια της εκτέλεσής της· ανάλογα με την εντολή, οι καταχωρητές πηγής είναι δύο, ένας, ή κανένας. Καταχωρητή "προορισμού" (destination register), εάν υπάρχει, λέμε αυτόν στον οποίο η εντολή γράφει το αποτέλεσμά της –εάν γράφει σε καταχωρητή το αποτέλεσμά της. Στον MIPS, οι καταχωρητές πηγής, όταν υπάρχουν, προσδιορίζονται πάντα από τα ίδια πεδία της εντολής, σε σταθερές θέσεις, προκειμένου να επιταχυνθεί η ανάγνωσή τους αμέσως μόλις γίνει γνωστή η εντολή, χωρίς να περιμένουμε την αποκωδικοποίηση του opcode γιά να μάθουμε το format της εντολής: οι καταχωρητές πηγής, όταν υπάρχουν, είναι πάντα το δεύτερο και το τρίτο πεδίο της εντολής, των 5 bits καθένα, αμέσως μετά τα 6 bits του opcode. Ο καταχωρητής προορισμού, όταν υπάρχει, μπορεί να είναι σε μεταβλητή θέση μέσα στο format της εντολής, δεδομένου ότι υπάρχει χρόνος να έχει αποκωδικοποιηθεί το opcode μέχρι να χρειαστεί να ξέρουμε ποιός είναι ο καταχωρητής προορισμού: είναι άλλοτε το τέταρτο και άλλοτε το τρίτο πεδίο της εντολής. Ο τρόπος που το format και το opcode καθορίζονται από τα πεδία op και funct με μια κωδικοποίηση μεταβλητού μεγέθους αποτελεί αντικείμενο της άσκησης 4.2.

Άσκηση 4.2:   Γλώσσα Μηχανής και Κώδικες Μεταβλητού Μήκους

Σ' αυτή την άσκηση θα μελετήσετε τον τρόπο που το format και το opcode στον MIPS καθορίζονται από τα πεδία op και funct με μια κωδικοποίηση μεταβλητού μεγέθους. Γιά να μην παιδευόμαστε όμως με μεγάλο πλήθος εντολών, θα χρησιμοποιήσουμε ένα δικό μας, φανταστικό format εντολών, ενός φανταστικού υπολογιστή, του MIPS_8. Ολες οι εντολές του MIPS_8 έχουν μέγεθος 8 bits. Ο MIPS_8 έχει μόνο 8 καταχωρητές, τους $0, $1, ..., $7, και οι σταθερές του ποσότητες (immediates) μπορούν να είναι μόνο οι 32 μη-αρνητικοί ακέραιοι 0, 1, 2, ..., 31. Οι εντολές του MIPS_8 έχουν μόνον έναν τελεστέο –είτε καταχωρητή είτε σταθερή ποσότητα immediate– και έχουν μόνο δύο format, τα εξής:

R-format:

• op (3 MS bits): πρώτο μέρος του opcode,
• R (3 επόμενα bits): ο καταχωρητής - τελεστέος,
• funct (2 LS bits): δεύτερο μέρος του opcode.

I-format:

• op (3 MS bits): ο (μοναδικός) opcode,
• Imm (5 LS bits): η σταθερά - τελεστέος.

4(a): Εστω ότι "ξοδεύουμε" και τους οκτώ (8) διαθέσιμους συνδυασμούς του πεδίου op γιά 8 εντολές I-format, τις εντολές mi, ni, pi, qi, ri, si, ti, vi. Σ' αυτή την περίπτωση, μπορούμε να έχουμε καμία εντολή R-format; Γιατί όχι; Έστω πως επιμέναμε να έχουμε την εντολή R-format "RR" με op=001 και funct=10. Τότε, η εντολή "RR $6" με ποιάν άλλη εντολή I-format (και με τι τελεστέο) θα ήταν ίδια κι απαράλλακτη, με συνέπεια να μη μπορούμε να τις έχουμε και τις δύο στον MIPS_8; Αποδείξτε εν συντομία αλλά με "μαθηματική" ακρίβεια και σαφήνεια ότι το ίδιο θα ίσχυε γιά οιαδήποτε άλλη δυνατή εντολή R-format.

4(b): Εστω τώρα ότι "ξοδεύουμε" μόνο τους 7 από τους 8 διαθέσιμους συνδυασμούς του πεδίου op –τους 001, 010, 011, 100, 101, 110, και 111– γιά 7 εντολές I-format –τις ni, pi, qi, ri, si, ti, vi. Σ' αυτή την περίπτωση, πόσες εντολές R-format μπορούμε να έχουμε; Τι κώδικες op και funct θα έχει καθεμιά τους; Γιατί δεν μπορούμε να έχουμε περισσότερες από τόσες εντολές R-format;

4(c): Γιά την περίπτωση 4(b), σχεδιάστε ένα συνδυαστικό κύκλωμα, χρησιμοποιώντας πύλες NOT, AND, OR (οσωνδήποτε εισόδων) (μόνο τέτοιες, και όχι έτοιμους αποκωδικοποιητές), που να δέχεται σαν είσοδο μιαν εντολή (8 bits) και να παράγει σαν εξόδους:

ένα σήμα I που ανάβει όταν και μόνον όταν η εντολή είναι I-format,
ένα σήμα R που ανάβει όταν και μόνον όταν η εντολή είναι R-format,
7 σήματα, ένα γιά καθε εντολή I-format, που να ανάβει όταν και μόνον όταν βλέπει τη συγκεκριμένη εντολή, και
ένα σήμα γιά καθε εντολή R-format, που να ανάβει όταν και μόνον όταν βλέπει τη συγκεκριμένη εντολή.

© copyright University of Crete, Greece. Last updated: 18 Feb. 2015 by M. Katevenis.