Az ISA szint tervezési szempontjai

Az előadások a következő témára: "Az ISA szint tervezési szempontjai"— Előadás másolata:

1 Az ISA szint tervezési szempontjai
Hosszú távú: később is jó legyen az architektúra, Rövid távú: addig is piacon kell maradni. Rövidebb utasítások: kevesebb helyet foglalnak el, gyorsabban betölthetők, Hosszabb utasítások: több lehetséges műveleti kód, nagyobb memória címezhető. Bájt címzés: hatékonyabb szöveg feldolgozásnál, Szó címzés: nagyobb memória címezhető. … Utasításformák, utasításhossz ( ábra). Máté: Architektúrák 11. előadás

2 A műveleti kód kiterjesztése
k bites műveleti kód esetén 2k különböző utasítás lehet, n bites címrésznél 2n memória címezhető, és egyik csak a másik rovására növelhető (5.11. ábra). Változó hosszúságú műveleti kód ( ábra). Lehetőségek: fix utasításhossz: rövidebb kód mellett hosszabb operandus rész, minimális átlagos utasításhossz: a gyakori kódok rövidek, a ritkán használtak hosszabbak. Máté: Architektúrák 11. előadás

3 regiszter-indirekt címzés, indexelt címzés, bázisindex címzés,
Címzési módszerek 3, 2, 1, 0 címes utasítások. Címzési módok: közvetlen operandus, direkt címzés, regiszter címzés regiszter-indirekt címzés, indexelt címzés, bázisindex címzés, verem címzés. Máté: Architektúrák 11. előadás

4 Fordított Lengyel Jelölés
Verem címzés Fordított Lengyel Jelölés (Postfix Polish Notation - Lukasiewicz) Postfix jelölés: a kifejezéseket olyan formában adjuk meg, hogy az első operandus után a másodikat, majd ezután adjuk meg a műveleti jelet: infix: x + y, postfix: x y +. Előnyei: nem kell zárójel, sem precedenciaszabályok, jól alkalmazható veremcímzés esetén. Máté: Architektúrák 11. előadás

5 Infix jelölés konvertálása postfix-re (5.20, 21. ábra):
Dijkstra algoritmusa Infix jelölés konvertálása postfix-re (5.20, 21. ábra): az infix elemek egy váltóhoz (switch) érkeznek - a változók és konstansok Kaliforniába mennek (), a többi esetben a verem tetejétől függően (5.21. ábra): a kocsi Texas felé megy (1: ), a verem teteje Kaliforniába megy (2: ), a kocsi eltűnik a verem tetejével együtt (3: ), vége az algoritmusnak (4: ), hibás az infix formula (5: ?). Példák: ábra. Máté: Architektúrák 11. előadás

6 Fordított lengyel jelölésű formulák kiértékelése
Pl. (5.23. ábra): (8 + 2 * 5)/(1 + 3 * 2 – 4) // infix * * + 4 – / // postfix Olvassuk a formulát balról jobbra! Ha a következő jel operandus: rakjuk a verembe, műveleti jel: hajtsuk végre a műveletet (a verem tetején van a jobb, alatta a bal operandus!). Máté: Architektúrák 11. előadás

7 Pentium II utasításformái (5.13. ábra)
Több generáción keresztül kialakult architektúra. Csak egy operandus lehet memória cím. Prefix, escape (bővítésre), MOD, SIB (Scale Index Base – Skála Index Bázis). Címzési módok (5.26. ábra): nagyon szabálytalan, nehéz (kompatibilitás). Baj: nem minden utasításban használható minden mód, nem minden regiszter használható minden módban (nincs EBP indirekt, ESP relatív címzés). SIB (5.27. ábra): jó, de megéri? , Máté: Architektúrák 11. előadás

8 32 bites egyszerű utasítások.
UltraSPARC (5.14. ábra) 32 bites egyszerű utasítások. Regiszter címzés (5 bit) + FP-OP, közvetlen (13 bit). LOAD, STORE és processzorokat szinkronizáló utasítás (memóriát használó utasítások): a cím vagy két regiszter összege, vagy index + 13 bites eltolás. 32 bites közvetlen adat megadása: SETHI – megad 22 bitet, a következő utasítás a maradék 10 bitet. Jósláshoz 3 bitet elcsíptek a PC-relatív eltolásból. Az A bit az eltolás rést akadályozza meg bizonyos feltételek esetén. CALL, 30 bites relatív cím (szót címez). , 372 Máté: Architektúrák 11. előadás

9 ILOAD_1 ≡ ILOAD 1 ≡ WIDE ILOAD 1
JVM (5.15. ábra) Változó hosszúságú egyszerű utasítások, 8 kivételével mind 1, 2 vagy 3 típusú, a legtöbb 1 bájtos. Külön utasítások a kis indexű lokális változók betöltésére: ILOAD_1 ≡ ILOAD 1 ≡ WIDE ILOAD 1 Címzési módok: közvetlen és index címzési mód (5.15. ábra). , Máté: Architektúrák 11. előadás

10 Két címes elképzelés (5.25. ábra).
Orthogonalitási elv: Jó architektúrában a műveleti kódok és a címzési módszerek (majdnem) szabadon párosíthatók. Három címes elképzelés (5.24. ábra): A 2. típus közvetlen adat megadást, és index módú LOAD és STORE utasítást tesz lehetővé. A 3. típusba elágazó, eljárás hívó utasítások tartoznának, és ide is tartozna LOAD és STORE, ezek R0-t használnák. Két címes elképzelés (5.25. ábra). Összefoglaló: ábra. A bonyolult címzési módok tömörebb programokat tesznek lehetővé, de nehezítik a párhuzamosítást. Ha a párosítás nem történhet szabadon, akkor jobb, ha csak egy választási lehetőség van (egyszerűbb hatékony fordítóprogramot írni). , Máté: Architektúrák 11. előadás

11 Adatmozgató (másoló) utasítások.
Utasítástípusok Adatmozgató (másoló) utasítások. Diadikus: +, -, *, /, AND, OR, NOT, XOR, … Monadikus: léptetés, forgatás, CLR, INC, NEG, … Összehasonlítás, feltételes elágazás: Z, O, C, … Eljáráshívás. Visszatérési cím: rögzített helyre (rossz) - az eljárás első szavába (jobb) - verembe (rekurzív eljárásokhoz is jó). Ciklusszervezés (5.29. ábra): számláló Input/output ( ábra): - programozott I/O: tevékeny várakozás, ábra - megszakítás vezérelt I/O - DMA I/O (5.32. ábra): cikluslopás Máté: Architektúrák 11. előadás

12 A Pentium II utasításai Egész utasítások legnagyobb része: 5.33. ábra.
Egyéb utasítások (pl. lebegőpontosak). Az UltraSPARC utasításai Összes egész utasítás: ábra. A utasításnévben CC: beállítja a feltételkódot. Szimulált utasítások (5.35. ábra), pl.: MOV SRC,DST ≡ OR SRC,G0,DST A picoJava II utasításai (5.36. ábra) Típusoltság biztonsági okokból. I (int: 32), L (long: 64) F (float: 32) D (double: 64 bit) Máté: Architektúrák 11. előadás

13 Rekurzív eljárás: önmagát közvetlenül vagy közvetve hívó eljárás.
Vezérlési folyamat Szekvenciális vezérlés: Az utasítások abban a sorrendben kerülnek végrehajtásra, ahogy a memóriában elhelyezkednek. Elágazás: ábra. Eljárás (5.42. ábra): Az eljáráshívás úgy tekinthető, mint egy magasabb szinten definiált utasítás végrehajtása: elég, ha azt tudjuk, mit csinál az eljárás, nem lényeges, hogy hogyan. Rekurzív eljárás: önmagát közvetlenül vagy közvetve hívó eljárás. Máté: Architektúrák 11. előadás

14 Rekurzív eljárás, amely n korongot mozgat át i-ről j-re (5.40. ábra.):
Hanoi tornyai ( ábra) Rekurzív eljárás, amely n korongot mozgat át i-ről j-re (5.40. ábra.): public void towers (int n, int i, int j) { int k; if(n==1) System.out.println(”korong: ”+i+”->”+j); else { k=6-i-j; towers(n-1, i, k); towers(1, i, j); towers(n-1, k, j); } Máté: Architektúrák 11. előadás

15 towers(1,1,3) 1 -> 3 k= után (c) visszatérés után (d)
5.41. ábra a verem towers(3,1,3) k= után (a) towers(2,1,2) k= után (b) towers(1,1,3) 1 -> 3 k= után (c) visszatérés után (d) towers(1,1,2) 1 -> 2 k= után (e) towers(1,3,2) 3 -> 2 towers(1,1,3) 1 -> 3 towers(2,2,3) towers(1,2,1) 2 -> 1 towers(1,2,3) 2 -> 3 towers(1,1,3) 1 -> 3 5.39. ábra Máté: Architektúrák 11. előadás

16 Eljárás epilógus: visszatéréskor a verem kitakarítása.
Rekurzív eljárások megvalósításához veremre van szükség. Minden hívás esetén az eljárás paramétereit a verembe kell tenni, és ott kell elhelyezni a lokális változókat is! Eljárás prológus: a régi verem keret mutató (FP) elmentése, új verem keret mutató megadása és a verem mutató (SP) növelése, hogy legyen hely a veremben a lokális változók számára. Eljárás epilógus: visszatéréskor a verem kitakarítása. Máté: Architektúrák 11. előadás

17 5.45. ábra: Pentium II program (~5.45. ábra).
5.46. ábra: UltraSPARC II program, eltolás rés! 5.47. ábra: JVM program, kb. jó, csak az angolról fordítás miatt az elejét módosítani kellett volna: ”Move disk from” i ”to” j ”Korong mozgatása” i ”-ről” j ”-re” , Máté: Architektúrák 11. előadás

18 Szekvenciális vezérlés (5.37. ábra) Elágazás. Eljárás: 5.42. ábra.
Vezérlési folyamat Szekvenciális vezérlés (5.37. ábra) Elágazás. Eljárás: ábra. Csapdák. Megszakítások. Korutinok: ábra. Párhuzamos feldolgozás szimulálására alkalmas egy CPU-s gépen. goto helyett jobb a ciklus vagy az eljárás alkalmazása. Máté: Architektúrák 11. előadás

19 előre hivatkozási probléma egy sor olvasása
Assembler előre hivatkozási probléma egy sor olvasása a beolvasott sor fordítása a lefordított utasítás az object file-ba a sor és a lefordított utasítás a lista file-ba A92, Máté: Architektúrák 11. előadás

20 Megoldási lehetőség: Az assembler kétszer olvassa a program szövegét (két menet). Az első menet célja összegyűjteni, táblázatba foglalni a szimbólum definíciókat, így a második menet idején már minden (a programban definiált) szimbólum ismert, tehát a második menetben már nem jelentkezik az előre hivatkozás problémája. Valahogy megpróbálni a fordítást egy menetben. Késleltetni a fordítást ott, ahol előre hivatkozás van, pl. táblázatba tenni a még le nem fordított részeket. A menet végén már minden szimbólum ismert, ekkor feldolgozni a táblázatot. Esetleg minden szimbólum definíciót követően azonnal feldolgozni a szimbólumra vonatkozó korábbi hivatkozásokat. A92, Máté: Architektúrák 11. előadás

21 Manapság a legtöbb assembler két menetben működik.
Mindkét esetben szükség van szimbólum tábla készítésére, de az utóbbi megoldásban a még le nem fordított utasítások miatt is szükség van táblázatra. További nehézséget jelent, hogy nem sorban készülnek el a tárgy kód (object code) utasításai, ezért ezeket pl. listába kell helyezni, majd rendezni a listát, és csak ezután történhet meg az object és a lista file elkészítése. Manapság a legtöbb assembler két menetben működik. A92, Máté: Architektúrák 11. előadás

22 Két menetes assembler, első menet
Legfontosabb feladata a szimbólum tábla felépítése. A szimbólum tábla: érték: – címke címe, – változó címe, – szimbolikus konstans értéke. egyéb információk: – típus, – méret, – szegmens neve, amelyben a szimbólum definiálva van, – relokációs flag, – A szimbólum neve értéke egyéb információk . . . A93-93, Máté: Architektúrák 11. előadás

23 pl. az IBM 370-es gépcsaládon: L 14,=F’5’ ; Load register 14 az 5-ös
Literál: pl. az IBM 370-es gépcsaládon: L 14,=F’5’ ; Load register 14 az 5-ös ; Full Word konstanssal Többek között a literálok gyakori használata vezetett a közvetlen operandus megadás kialakulásához és elterjedéséhez. A94, Máté: Architektúrák 11. előadás

24 Egy lehetséges operációs kód tábla egy részlete:
mnemonic op1 op2 kód hossz osztály AAA - 37 1 6 ADD reg8 02 2 10 reg16 03 11 ... AND 22 23 A94-95, 531 Máté: Architektúrák 11. előadás

25 procedure ElsőMenet; 1. menet, vázlat
const méret = 8; EndUtasítás = 99; var HelySzámláló, osztály, hossz, kód: integer; VanInput: boolean; szimbólum, literál, mnemo: array[1..méret] of char; sor: array[1..80] of char; begin Előkészítés; TáblákIinicializálása; HelySzámláló := 0; VanInput = true; A95, Máté: Architektúrák 11. előadás

26 while VanInput do begin sorok feldolgozása SorOlvasás(sor);
Megőrzés(sor); if NemKomment(sor) then begin nem kommentár SzimbólumDef(sor, szimbólum); if szimbólum[1]  ’ ’ then szimbólum definíció ÚjSzimbólum(sor,szimbólum, HelySzámláló); LiterálKeresés(sor, literál); if literál[1]  ’ ’ then ÚjLiterál(literál); hossz := 0; OpKódKeresés(sor, mnemo); OpKódTáblában(sor, mnemo, osztály, kód); A95-96, Máté: Architektúrák 11. előadás

27 if osztály  0 then nem létező utasítás
PszeudoTáblában(sor,mnemo, osztály, kód); if osztály  0 then HibásOpKód; hossz := típus(osztály); utasítás hossza HelySzámláló := HelySzámláló + hossz; if osztály = EndUtasítás then begin VanInput := false; LiterálTáblaRendezés; DuplikátumokKiszűrése; Lezárások; end; {if osztály = } end; nem kommentár end;  while VanInput  end; 1. menet A96, Máté: Architektúrák 11. előadás

28 OpKódKeresés eljárás triviális, mindössze az a feladata, hogy a sor-ban az első szóköz után a látható karaktereket a következő szóközig terjedően mnemo-ba másolja. OpKódTáblában eljárás meglehetősen bonyolult, az operandusok elemzésével kell megállapítania, hogy az utasítás melyik osztály-ba tartozik. Látszólag feleslegesen határozza meg a kód-ot, de a többi feladata mellett ez már nagyon egyszerű, és így ez a függvény a második menetben változtatás nélkül alkalmazható. Az OpKódTáblában eljárás nem alkalmas pl. az ORG pszeudo utasítás feldolgozására! Nem ismeri a HelySzámláló-t. A SorOlvasás(sor); Megőrzés(sor); arra utal, hogy a második menetben olvashatjuk az első menet eredményét. Pl. az első menet folyamán szokás elvégezni az INCLUDE utasításokhoz, a makró definíciókhoz és makró hívásokhoz tartozó feladatokat. A95-96, 532 Máté: Architektúrák 11. előadás

29 Az Előkészítés valami ilyesmi lehet:
Push(NIL); sehova mutató pointer a verembe InputFileNyitás; p = ProgramSzövegKezdete; ... A továbbiak során p mutatja a következő feldolgozandó karaktert. A SorOlvasás eljárás: begin while p = EOF do begin Pop(p); if p = NIL then ENDHiba; nincs END utasítás end; EgySorOlvasás(sor); A96-97 Máté: Architektúrák 11. előadás

30 p = IncludeSzövegKezdete;
Ha sor történetesen INCLUDE utasítás, akkor az EgySorOlvasás eljárás ezt a következőképpen dolgozhatja fel: Push(p); IncludeFileNyitás; p = IncludeSzövegKezdete; A97 Máté: Architektúrák 11. előadás

31 procedure MásodikMenet; 2. menet, vázlat
const méret = 8; EndUtasítás = 99; var HelySzámláló, osztály, hossz, kód: integer; VanInput: boolean; szimbólum, mnemo: array[1..méret] of char; sor: array[1..80] of char; operandusok[1..3] of integer; op1, op2, címzési mód byte object: [1..10] of byte; begin Előkészítés2; {nincs TáblákIinicializálása;} HelySzámláló := 0; VanInput = true; A97-98, 534 Máté: Architektúrák 11. előadás

32 while VanInput do begin sorok feldolgozása SorOlvasás2(sor);
{nincs Megőrzés(sor);} if NemKomment(sor) then begin nem kommentár SzimbólumDef(sor, szimbólum); if szimbólum[1]  ’ ’ then szimbólum definíció SzimbólumEllenőrzés (sor, szimbólum, HelySzámláló); {nincs LiterálKeresés(sor, literál); hossz := 0; OpKódKeresés(sor, mnemo); OpKódTáblában(sor, mnemo, osztály, kód); A98, 534 Máté: Architektúrák 11. előadás

33 if osztály  0 then nem létező utasítás
PszeudoTáblában(sor,mnemo, osztály, kód); if osztály  0 then HibásOpKód2; Most készül a lista! case osztály of 0: hossz := fordít0(sor, operandusok); 1: hossz := fordít1(sor, operandusok); ... end; Összeállítás (kód, osztály, operandusok, object); ObjectKiírás(object); Listázás(HelySzámláló, object, sor); HelySzámláló := HelySzámláló + hossz; A98-99, 534 Máté: Architektúrák 11. előadás

34 if osztály = EndUtasítás then begin VanInput := false;
{nincs LiterálTáblaRendezés; DuplikátumokKiszűrése;} Lezárások2; end; {if osztály = } end; nem kommentár end; while VanInput  end; 2. menet A99, 534 Máté: Architektúrák 11. előadás

35 Összeállítás = assemble Az assembler számos hibát ismerhet fel:
használt szimbólum nincs definiálva, egy szimbólum többször van definiálva, nem létező operációs kód, nincs elegendő operandus, túl sok operandus van, hibás kifejezés (pl. 9 egy oktális számban), illegális regiszter használat, típus hiba, nincs END utasítás, . . . A99, 535 Máté: Architektúrák 11. előadás

36 Számos olyan hibát azonban, melyet a magasabb szintű
nyelvek fordítói könnyen felismernek – vagy egyáltalán elő se fordulhatnak – az assembler nem tud felderíteni: az eljárás hívás paramétereinek típusa nem megfelelő, a regiszter mentések és helyreállítások nem állnak „párban”, hibás vagy hiányzik a paraméter vagy a lokális változó terület ürítése a veremből, a hívás és a hívott eljárás helyén érvényes ASSUME-ok ellentmondásosak (nem feltétlenül hiba, de az lehet), . . . A99 Máté: Architektúrák 11. előadás

37 Az object file nemcsak a lefordított utasításokat tartalmazza, hanem további – a szerkesztőnek szóló – információt is. Máté: Architektúrák 11. előadás

38 Makró definíciók felismerése
Makró generátor Feladata a makró definíciók megjegyzése (pl. makró táblába helyezése) és a makró hívások kifejtése. Általában az assembler első menetében működik. Makró definíciók felismerése Amennyiben az assembler a forrás szöveg olvasása közben makró definíciót talál (ezt könnyű felismerni a műveleti kód részen lévő MACRO szó alapján), akkor a makró definíció teljes szövegét – az ENDM műveleti kódot tartalmazó sor végéig – elhelyezi a makró táblában. A felismerést és a tárolást a SorOlvasás vagy a PszeudoTáblában eljárás végezheti. A101, 528 Máté: Architektúrák 11. előadás

39 Makró hívások kifejtése Az OpKódTáblában(sor,mnemo, osztály, kód);
if osztály  0 then nem létező utasítás PszeudoTáblában(sor, mnemo, osztály, kód); programrész után be kell szúrni az if osztály  0 then MakróTáblában(sor, mnemo, osztály, kód); sorokat. A eljárás feladata a makró hívás felismerése és a makró helyettesítés is. A kifejtett makró egy pufferbe kerül, a puffer tartalma az INCLUDE utasításnál látottakhoz hasonlóan illeszthető a program szövegébe. A101 Máté: Architektúrák 11. előadás

40 A makró kifejtés egy ciklikusban: EgySzóOlvasásaAMakróTörzsből;
if FormálisParaméter then AMegfelelőAktuálisParaméterÁtmásolása; else ASzóÁtmásolása; ElválasztójelFeldolgozása; Az ElválasztójelFeldolgozása legtöbbször az elválasztójel másolását jelenti, de a makró definícióban különleges szerepet játszó karakterek esetén ettől eltérő – magától értetődő – speciális feladatot kell végrehajtani. A Máté: Architektúrák 11. előadás

41 A LOCAL utasítás feldolgozásához a makró generátor egy 0 kezdeti értékű változót használ. Makró híváskor a LOCAL utasításban szereplő szimbólumot, és az összes előfordulását a makró törzsben ??xxxx alakú azonosítóval helyettesíti, ahol xxxx a változó aktuális értéke hexadecimális számrendszerben. A változó értékét minden a LOCAL utasításban szereplő szimbólum feldolgozása után 1–gyel növeli. Legegyszerűbb, ha a lokális szimbólumot formális paraméternek tekinti, és a generált ??xxxx alakú azonosítót a megfelelő argumentumnak. A102, 527 Máté: Architektúrák 11. előadás

42 Az ISA szint tervezési szempontjai. Milyen utasítás formákat ismer?
Feladatok Az ISA szint tervezési szempontjai. Milyen utasítás formákat ismer? Hogy viszonyulhat az utasítás hossza a szóhosszhoz? Mit jelent a műveleti kód kiterjesztése? Milyen címzési módszereket ismer? Mit jelent a postfix címzés? Hogy alakítható át egy infix formula postfix-é? Hogy értékelhető ki egy postfix formula? Milyen utasítás formái vannak a Pentium II-nek? Mi a SIB szerepe? Milyen utasítás formái voltak a SPARC gépnek? Milyen utasítás formái vannak a JVM-nek? Máté: Architektúrák 11. előadás

43 Mi az orthogonalitási elv?
Feladatok Mi az orthogonalitási elv? Milyen utasítás formái lehetnek egy 3 címes gépnek? Milyen utasítás formái lehetnek egy 2 címes gépnek? Milyen utasítástípusokat ismer? Mi a különbség az UltraSPARC II ADD, ADDC, ADDCC és ADDCCC utasításai között? Mi a szekvenciális vezérlés? Mi az eljárás? Mi a rekurzív eljárás? Mi az eljárás prológus? Mi az eljárás epilógus? Mi az eltolási rés? Mit nevezünk korutinnak (coroutine)? Máté: Architektúrák 11. előadás

44 Mi az előre hivatkozási probléma?
Feladatok Mi az előre hivatkozási probléma? Milyen megoldásokat ismer az előre hivatkozási problémára? Mi a szimbólum tábla? Mi a literál? Mi az OpKódKeresés feladata? Mi az OpKódTáblában feladata? Hogy nézhet ki az Előkészítés eljárás? Hogy nézhet ki az SorOlvasás eljárás? Hogy dolgozható fel az INCLUDE utasítás? Milyen hibákat ismerhet föl az assembler? Milyen hibákat nem képes fölismerni az assembler? Máté: Architektúrák 11. előadás

45 Mi a makró generátor feladata? Hogy ismerhetők föl a makró definíciók?
Feladatok Mi a makró generátor feladata? Hogy ismerhetők föl a makró definíciók? Mi a makró generátor feladata makró definíció esetén? Hogy ismerhetők föl a makró hívások? Hogy illeszthető a program szövegéhez a makró kifejtés eredménye? Hogy működhet a makró kifejtés? Hogy történhet a LOCAL utasítás feldolgozása? Máté: Architektúrák 11. előadás