Instruktionssatz-Architektur

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1 Institut für Informatik 3: Rechnerarchitektur Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg WS 2005/2006

2 Übersicht 1 Einleitung 2 Bestandteile der ISA 3 CISC / RISC

3 Übersicht 1 Einleitung 2 Bestandteile der ISA 3 CISC / RISC

4 Computer-Architektur Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) Hardware System Architecture (HSA)

5 Instruction Set Architecture Instruction Set Architecture: eine kritische Schnittstelle

6 Instruction Set Architecture Instruction Set Architecture sind die Eigenschaften eines Computer-Systems, die vom Programmierer/Compiler aus sichtbar sind. Dazu gehört z.b. konzeptionelle Struktur funktionale Verhalten... nicht dazu gehört z.b. Organisation des Datenflusses das elektronische Design die physikalische Implementierung...

7 Instruction Set Architecture ISA: lägt fest, was ein Compiler ausdrücken kann ist der Wortschatz des Compilers lägt fest, was die Hardware ausführen können muss lägt fest, was die Hardware nicht ausführen darf Vertrag zwischen Compiler und Hardware

8 Instruction Set Architecture die allgemeine Programmierer-Sicht eines Computers: Wie werden Daten und Datenstrukturen representiert? Wo können Daten gespeichert werden? Wie kann auf die Daten zugegriffen werden? Welche Operationen können auf den Daten ausgeführt werden? Wie sind die Instruktionen kodiert? Organisation der (sichtbaren) Register...

9 Instruction Set Architecture für OS-Aspekte sind zwei verschiedene Sichtweisen möglich: aus Sicht des Anwendungsprogrammierers (User-Level) direkte I/O-Befehle nicht erlaubt kein Zugriff auf Segmentierung / Paging kein Zugriff auf Interrupt-, Exception-Handling und System-Call-Handling statt dessen System-Calls möglich aus Sicht des (Betriebs-) Systemprogrammierers (System-Level) direkte I/O-Befehle erlaubt Zugriff auf Segmentierung / Paging Zugriff auf Interrupt-, Exception-Handling und System-Call-Handling System-Calls unmöglich

10 Instruction Set Architecture zusätzlich gilt für die Anwenderprogrammierer-Sicht eines Computers:... mögliche System-Calls (OS-abhängig)

11 Instruction Set Architecture zusätzlich gilt für die Systemprogrammierer-Sicht eines Computers:... Segmentierung / Paging Ausnahmebedingungen, Interrupts, System-Calls Organisation der I/O (Memory-Mapped oder extra I/O-Space) I/O (Register, Semantik der einzelnen Bits)

12 Instruction Set Architecture & Kompatibilität ist die ISA eines Rechners A eine Obermenge der ISA eines Rechners B, ist Rechner A abwärtskompatibel zu Rechner B Beispiel 1: aus Anwenderprogrammierer-Sicht sind Linux-PCs (mit gleichen CPUs) mit steigender Linux-Version jeweils abwärtskompatibel Beispiel 2: aus Systemprogrammierer-Sicht sind PCs mit gleichen CPUs und gleichen Chip-Sets und gleichen Einsteckkarten kompatibel

13 Instruction Set Architecture & Kompatibilität aber Kompatibilitätsanforderungen machen es schwierig, neue (bessere) Architekturen einzuführen feste ISA garantiert lange Software-Lebensdauer

14 Beispiele für Instruction Set Architectures Digital Alpha HP PA-RISC Sun Sparc SGI MIPS Intel 8086,..., Pentium

15 Übersicht 1 Einleitung 2 Bestandteile der ISA 3 CISC / RISC

16 Datentypen Bit 0, 1 Nibble 4 Bits Byte 8 Bits Daten z.b.: Word 16 Bits Long Word 32 Bits Quad Word 64 Bits Interpretation der Daten z.b.: Character ASCII 7 Bit Code Decimal Ziffern 0 bis 9 kodiert als 0000b b zwei Ziffern gepackt in 8 Bits Integer 2er-Komplement Floating-Point einfache, doppelte, erweiterte Genauigkeit......

17 Datentypen Operand Size Usage:

18 Register-Modelle Beispiele für Register-Modelle: Intel Pentium PowerPC

19 Adressierungsarten

20 Adressierungsarten Adressierungsarten z.b.: immediate Operand Memory direct Register direct Register indirect Register indirect with Offset Register indirect with Scale Factor Register indirect with Offset and Scale Factor...

21 Load/Store-Architekturen nur Load- und Store-Instruktionen können auf Speicher zugreifen alle anderen Operationen arbeiten nur auf Registern viele Register notwendig

22 Instruction Set Instruction Set legt die Instruktionen fest mit Syntax erlaubte Argumente / Adressierungsarten Kodierung Semantik Beschreibung der Auswirkungen bei der Ausführung

23 Instruction Set Instruktionskodierungen (generelle Beispiele):

24 Instruction Set Basisinstruktionen (kaum Änderungen seit 1960!): Data Movement Load, Store, Memory-nach-Memory, Registernach-Register I/O-Input, I/O-Output, push, pop Arithmetik Integer und Floating-Point Add, Sub, Mul, Div Shift Shift links/rechts, Rotate links/rechts Logische Op. Not, And, Or, Xor, Set, Clear Sprungbefehle jmp, jcc, call, ret

25 Top 10 der 80x86-Instruktionen Rang Instruktion Durchschnittliche Ausführungswahrscheinlichkeit 1 load 22% 2 conditional branch 20% 3 compare 16% 4 store 12% 5 add 8% 6 and 6% 7 sub 5% 8 move reg-reg 4% 9 call 1% 10 return 1% Summe 96% Einfache Instruktionen dominieren!

26 Kriterien für Instruction Set complete: alle notwendigen Instruktionen verfügbar orthogonal: keine zwei Instruktionen leisten das gleiche symmetric: add => sub adequate: technischer Aufwand entsprechend zum Nutzen efficient: kurze Ausführungszeiten

27 Input / Output ISA kann definieren independent (direct) Input/Output memory mapped Input/Output oder beides

28 Input / Output Independent I/O: getrennte Adressräume für Speicher und I/O-Geräte spezielle I/O-Instruktionen (z.b. inb, outb) memory mapped I/O: gemeinsamer Adressraum für Speicher und I/O-Geräte Speicher und I/O-Geräte haben verschiedene Adressen Zugriff über normale Load-/Store-Instruktionen

29 Übersicht 1 Einleitung 2 Bestandteile der ISA 3 CISC / RISC

30 CISC CISC: Complex Instruction Set Computer große Anzahl von Befehlen große Anzahl von Adressierungsarten nicht nur load/store-befehle können auf den Speicher zugreifen verschiedene Instruktionsformate (Code)

31 RISC RISC: Reduced Instruction Set Computer Beobachtungen: Ca. 80% der Berechnungen eines typischen Programms verwenden nur ca. 20% der Instruktionen einer CPU. Die am häufigsten gebrauchten Instruktionen sind einfache Instruktionen wie z.b. load, store und add.

32 RISC die Anzahl der Instruktionen ist reduziert (z.b. auf 128) die meisten RISC ISA verwenden 3-Adress-Instruktionen die meisten RISC ISA verwenden 32 Bits für die Kodierung der Instruktionen alle Operationen (Ausnahme: Load und Store) verwenden nur Register

33 RISC Design-Ziele hart-verdratete Logik, kein Mikroprogramm einfache Instruktionen, wenige Adressierungsarten (=> Cycles per Instruction = 1) Register-Register- (oder Load-/Store-) Design viele Register Pipelines optimierende Compiler möglich/nötig High-performance Speicherhierachie

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