1 הקדמה מה נלמד ? כיצד מחשב בנוי. כיצד לנתח ביצועי מחשב. נושאים המשפיעים על מעבדים חדשים (cache, pipeline ) הספר המלווה Computer Organization & Design The hardware/software interface, David A. Patterson and John L. Hennsy. Second Edition

2 שפת מכונה שפת מכונה - הפקודות שהמחשב מכיר. אסמבלי - נוח יותר לקריאה. - אבסטרקציה. - מעבר חד חד ערכי משפת המכונה. שפת C - נוח יותר לתיכנות. - לא מעבר חד חד ערכי. - תלוי קומפיילר ואופטימיזציה - Portable מתי מתכנתים באסמבלי ?

3 Instruction Set Architecture דמיון רב בין שפות המכונה השונות נלמד את שפת המכונה של מעבד ה- MIPS שפותח בתחילת שנות ה- 80 ( משתמשים בו ב- Silicon Graphics,NEC,Sony ). RISC v. CISC –Reduced Instruction Set Computer - MIPS – Complex Instruction Set Computer המוטו “ פחות זה יותר “

4 כלל תכנון מספר 1: Simplicity favors Regularity פעולות אריתמטיות MIPS addi a,b,100 # a=b+100 add a,b,c # a=b+c 8086 ADD EAX,B # EAX= EAX+B

5 כלל תכנון מס’ 2: Smaller is faster פעולות אריתמטיות רק על רגיסטרים. האופרנדים יכולים להיות רגיסטר או קבוע אחד. סה”כ יש 32 רגיסטרים. spilling רגיסטר word = 32 bits = 4 bytes קונבנציות $1,$2 … $s0,$s C משתנים של $t1,$t2 … - משתנים זמניים דוגמא: f=(g+h)-(k+j) #$s0=f, $s1=g, $s2=h, $s3=k, $s4=j add $t0,$s1,$s2 add $t1,$s3,$s4 sub $s0, $t0, $t1

6 Policy of Use Conventions

7 הזיכרון הזיכרון - מערך גדול. כתובת לזיכרון - אינדקס למערך. Byte addressing - האינדקס בבתים. גודל הזיכרון המכסימלי 2 30 words = 2 32 bytes bits of data

8 פניה לזיכרון פקודות Load and Store טוענים מילה אבל הכתובת בזיכרון היא בבתים - LW lw $s1,100($s2) # $s1=Memory[$s2+100] sw $s1,100($s2) # Memory[$s2+100]=$s1

9 קריאה של byte ישנם גם פקודות כמו (lb (load byte ו - (sb(store byte שימושי לקריאת char: גודל byte ב - ASCII American Standard Code For information Interchange ב - Unicode - גודל char הוא 2 בתים.

10 ASCII

11 גישה לזיכרון while (save[i]!=k) do i=i+j ; save: array [ ] of word Loop: muli $9,$19,4 # Temporary reg $9:=i*4 lw $8,save($9) # Temporary reg $8:=save[i] bne $8,$21,Exit # Goto Exit if save[i]<>k add $19,$19,$20 # i:=i+j j Loop # Goto Loop bits of data Save

12 הפקודות ב- MIPS בגודל זהה של 32 ביט. ב פקודות בגודל משתנה מ-1 עד ל-17 בתים. : דוגמא add $s1,$s2,$s3 # $s1=$17,$s2=$18, $s3=$19 פורמט הפקודה מסוג R-type op rs rt rdshamtfunct op - opecoders - register source rt- register source no 2rd - register destination funct - function shamt - shift amount שפת המכונה

13 צמצום מספר סוגי הפקודות השונים. דמיון בין הפקודות. Example: lw $s1, 32($s2) # $s1 =$17, $s2= op rs rt 16 bit number כלל תכנון מס’ 3 : תכנון טוב דורש לעיתים פשרות op rs rt rdshamtfunct op rs rt 16 bit address op 26 bit address RIJRIJ

14 התוכנית נשמרת בזיכרון בדיוק כמו נתונים ביצוע תוכנית רגיסטר מיוחד PC - Program Counter שומר את כתובת הפקודה הבאה. קוראים מילה שלמה מהזיכרון. מקדמים את ה - PC. ProcessorMemory memory for data, programs, compilers, editors, etc. התוכנית בזיכרון

15 Jump - קפיצה “ אבסולוטית ” ללא תנאים j label Branch - קפיצה יחסית מותנת bne $1,$2,label# $1!=$2 go to label Example: if (i!=j) beq $s4, $s5, Lab1 h=i+j;add $s3, $s4, $s5 else j Lab2 h=i-j;Lab1:sub $s3, $s4, $s5 Lab2:... Branch vs Jump

16 Instructions: bne $t4,$t5,Label Next instruction is at Label if $t4!= $t5 beq $t4,$t5,Label Next instruction is at Label if $t4 = $t5 j Label Next instruction is at Label Formats: מכאן branch - קפיצה יחסית בגבולות 16^2 מילים. הנחה: רוב ה- branches יהיו קפיצות לוקאליות. Beq $s1,$s2,25 # if ($s1 ==$s2) go to PC *4 op rs rt 16 bit address op 26 bit address IJIJ Addresses in Branches and Jumps

17 דוגמא לקידוד

18 כלל שחשוב לזכור : מקודדים MIPS באסמבלי של כתובת code במילים כתובת data בבתים ניגש לזיכרון הוא מבקש את הכתובת בבתים MIPS כאשר מעבד

19 if $s1 < $s2 then $t0 = 1 slt $t0, $s1, $s2 else $t0 = 0 ניתן לבנות את blt: blt $s0,$s1, Less slt $t0,$s0,$s1 # $t0 gets 1 if $s0<$s1 bne $t0,$zero, Less # go to Less if $t0 != 0 blt היא Psedoinstruction Branch-if-less-than?

20 כלל תכנון מס’ 4 : בנה את המקרה השכיח - מהיר הרבה פעולות ארתמטיות מתבצעות עם קבועים קטנים. קבועים גדולים addi $29, $29, lui $t0, ori $t0,$t0,

21 לסיכום

22 RISC v. CISC I - מספר פקודות בתוכנית T - אורך מחזור שעון CPI - מספר מחזורים לפקודה RISC: I T CPI CISC: I T CPI

23 תרגיל שאלה 1: לפניך קוד הכתוב ב-C, ושני תרגומים שלו לשפת האסמבלי של MIPS: while (save[i]!=k) do i=i+j ; save:array [ ] of word $19 מתפקד כ-i, $20 כ-j ו-$21 כ-k. תרגום ראשון: Loop: muli $9,$19,4 # Temporary reg $9:=i*4 lw $8,save($9) # Temporary reg $8:=save[i] bne $8,$21,Exit # Goto Exit if save[i]<>k add $19,$19,$20 # i:=i+j j Loop # Goto Loop Exit:

24 המשך תרגיל תרגום שני: muli $9,$19,4# Temporary reg $9:=i*4 lw $8,save($9)# Temporary reg $8:=save[i] bne $8,$21,Exit# Goto Exit if save[i]<>k Loop: add $19,$19,$20# i:=i+j muli $9,$19,4# Temporary reg $9:=i*4 lw $8,save($9)# Temporary reg $8:=save[i] beq $8,$21,Loop# Goto Loop if save[i]=k Exit: שאלה: בהנחה שהלולאה מתבצעת 10 פעמים, מה מספר הפקודות שמתבצעות בכל אחד מהתרגומים?

25 Compiler A.asm B.asm compiler A.obj B.obj linker C.lib (c.obj) P.exe loader Memory

26 Assembler B.asm compiler A.obj B.obj s:.word 3,4 j k lw $1,s ($2) k: add $1,$2,$3 m:.word 2 sw 7, m($3) A.asm 3 4 j 2 lw $1,0($2) add $1,$2,$3 2 sw 7,0($3) sw 7,0($3) j 3 lw $1,4($2) add $1,$2,$3 linker P.exe

27 קובץ Object ב- Unix Object file header text segment data segment relocation information symbol table debugging information

28 מבנה הזיכרון מחסנית משתנים דינמים משתנים סטטים קוד שמור