COMPUTER ARCHITECTURE

Chapter 2 Lecture 1

Instruction: Language of the Computer

The goals • Bốn nguyên tắc thiết kế cơ bản • Ba toán hạng trong máy tính • Biểu diễn lệnh trong máy tính • Phân loại được lệnh theo 3 định dạng: Rtype, I-Type, J-Type • Phân loại được lệnh theo chức năng • Chuyển đổi lệnh giữa các ngôn ngữ: cấp cao, hợp ngữ, và ngôn ngữ máy. Sep-16

2

Chapter contents 1. Introduction 2. Operations/operands of the Computer Hardware 3. Signed and Unsigned number (review) 4. MIPS Instruction 5. Arithmetic instruction 6. Logical instruction 7. Branch/jump instruction Sep-16

3

References • Slide: • Computer Organization and Design, 4th Edition, Patterson & Hennessy, © 2008, MK • Mary Jane Irwin, Penn State University

• Textbook: Chương 2 (p.74 – p.221) • Software: • Mars / Qtspim

• MIPS reference Data • Resources: • https://uit.edu.vn/~ktmt/mips-tutorial • https://uit.edu.vn/~ktmt/references Sep-16

4

Lecture goals • Giới thiệu về lệnh, tập lệnh • Kiến trúc tập lệnh MIPS • Phép toán/toán hạng trong máy tính • Xem lại số có dấu, số không dấu • Biểu diễn lệnh, phân loại lệnh

Sep-16

5

Lecture contents • Introduction • Operations of the Computer Hardware • Operands of the Computer hardware • Representing Instruction in Computer Hardware • Instruction class

Sep-16

6

§2.1 Introduction

Brainstorming ...

Sep-16

7

Brainstorming...

Computer language Sep-16

8

Definitions • Để ra lệnh cho phần cứng máy tính, cần ngôn ngữ của phần cứng máy tính: • Instruction: lệnh • Instruction set: Tập lệnh, hay có thể gọi là từ vừng của máy tính

Sep-16

Introduction

9

Instruction Set • Tập lệnh của một máy tính • Máy tính khác nhau thì có tập lệnh khác nhau • Nhưng với nhiều khía cạnh là giống nhau

• Máy tính sơ khai thì có tập lệnh đơn giản • Sự thực hiện đơn giản

• Nhiều máy tính hiện đại cũng có tập lệnh đơn giản

Sep-16

Introduction

10

The MIPS Instruction Set • Được sử dụng trong môn học • Cung cấp bởi MIPS Technologies www.mips.com • Chiếm phần lớn trong thị trường chip nhúng • Ứng dụng trong các lĩnh vực electronics, network/storage equipment, cameras, printers, …

Sep-16

Introduction

11

§2.2 Operations of the Computer Hardware

Arithmetic Operations • Add và subtract, có 3 toán hạng • 2 toán hạng nguồn, 1 toán hạng đích

add a, b, c # a = b + c • Tất cả các phép toán đều có dạng như trên.

Sep-16

Operations of the Computer Hardware

12

§2.2 Operations of the Computer Hardware

Arithmetic Operations

There must certainly be instructions for performing the fundamental arithmetic operations. Burks, Goldstine, and von Neumann, 1947

Sep-16

Operations of the Computer Hardware

13

MIPS operands

Sep-16

Operations of the Computer Hardware

14

MIPS assembly language

Sep-16

Operations of the Computer Hardware

15

Arithmetic Example

• C code:

f = (g + h) - (i + j);

Sep-16

Operations of the Computer Hardware

16

Arithmetic Example • Compiled MIPS code: add t0, g, h

# temp t0 = g + h

add t1, i, j

# temp t1 = i + j

sub f, t0, t1

# f = t0 - t1

Sep-16

Operations of the Computer Hardware

17

Design Principle 1 • Simplicity favours regularity • Regularity makes implementation simpler • Simplicity enables higher performance at lower cost

Sep-16

Operations of the Computer Hardware

18

Operands Có ba loại toán hạng: 1. Toán hạng thanh ghi (Register Operand) 2. Toán hạng bộ nhớ

(Memory Operand)

3. Toán hạng trực tiếp (Immediate Operand)

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

19

• Các lệnh toán học sử dụng các toán hạng thanh ghi • MIPS có một tập thanh ghi 32 × 32-bit • Sử dụng cho việc truy xuất dữ liệu thường xuyên • Được đánh số 0-31 • 32-bit data called a “word”

• Gọi tên theo chức năng các thanh ghi • $t0, $t1, …, $t9 for temporary values • $s0, $s1, …, $s7 for saved variables

• Design Principle 2: Smaller is faster

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

20

§2.3 Operands of the Computer Hardware

Register Operands

MIPS Register File • Holds thirty-two 32-bit registers 

• Two read ports and • One write port Registers are 



Faster than main memory

src1 addr src2 addr dst addr

Register File 32 bits

5 5 5

32 src1

data 32 locations 32 src2

32

write data - But register files with more locations are slower (e.g., a 64 word file could be as much as 50% slower than a 32 word file) - Read/write port increase impacts speed quadratically

data

write control

Easier for a compiler to use - e.g., (A*B) – (C*D) – (E*F) can do multiplies in any order vs. stack



Can hold variables so that - code density improves (since register are named with fewer bits than a memory location) Sep-16

Representing Instructions in the Computer

21

Bảng các thanh ghi MIPS Register Number

Name $zero $at $v0 - $v1 $a0 - $a3 $t0 - $t7 $s0 - $s7 $t8 - $t9 $gp $sp $fp $ra Sep-16

0 1 2-3 4-7 8-15 16-23 24-25 28 29 30 31

Usage constant 0 (hardware) reserved for assembler returned values arguments temporaries saved values temporaries global pointer stack pointer frame pointer return addr (hardware) Operands of the Computer Hardware

Preserve on call? n.a. n.a. no yes no yes no yes yes yes yes 22

Register Operand Example

• Ví dụ: mã C của lệnh

f = (g + h) - (i + j); • f, …, j in $s0, …, $s4

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

23

Register Operand Example

• Biên dịch sang mã MIPS: add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1 Sep-16

Operands of the Computer Hardware

24

Memory Operands • Bộ nhớ chính được sử dụng cho dữ liệu hỗn hợp • Arrays, structures, dynamic data

• Ứng dụng cho các phép toán số học • Nạp dữ liệu từ bộ nhớ • Lưu kết quả từ thanh ghi vào bộ nhớ

• Bộ nhớ được đánh địa chỉ theo byte • Mỗi địa được xác định bởi 1 byte 8bit

• Các word được sắp xếp trong bộ nhớ • Địa chỉ phải chia hết cho 4

• MIPS is Big Endian • Bit cao là bit địa chỉ thấp của 1 từ • c.f. Little Endian: Bit thấp là bit địa chỉ thấp của 1 từ

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

25

Memory Operands

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

26

Memory Operand Example 1

• Ví dụ: mã lệnh C g = h + A[8]; • g in $s1, h in $s2, base address of A in $s3

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

27

Memory Operand Example 1 • Biên dịch sang mã MIPS: • Index 8 requires offset of 32 • 4 bytes per word lw $t0, 32($s3) add $s1, $s2, $t0 offset

Sep-16

base register

Operands of the Computer Hardware

28

Memory Operand Example 2 • C code: A[12] = h + A[8]; • h in $s2, base address of A in $s3

• Compiled MIPS code: • Index 8 requires offset of 32

lw $t0, 32($s3) add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 48($s3)

Sep-16

# load word # store word

Operands of the Computer Hardware

29

Registers vs. Memory • Các thanh ghi thì truy xuất nhanh hơn bộ nhớ • Hoạt động trên dữ liệu bộ nhớ yều cầu nạp và lưu dữ liệu • Cần nhiều lệnh hơn để thực thi so với thanh ghi

• Trình biên dịch phải sử dụng các thanh ghi cho các biến nhiều nhất có thể • Chỉ dùng cho bộ nhớ đối với các biến ít sử dụng • Việc tối ưu thanh ghi là quan trọng

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

30

Immediate Operands • Các hằng số được sử dụng trong lệnh addi $s3, $s3, 4 • Không có lệnh trừ trực tiếp • Sử dụng lệnh cộng với số âm addi $s2, $s1, -1

• Design Principle 3: Make the common case fast • Các hằng số nhỏ là phổ biến • Các toán hạng trực tiếp sử dụng để tránh việc sử dụng lệnh load

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

31

The Constant Zero • Thanh ghi MIPS 0 ($zero) là hằng số zero • Không được ghi

• Hữu dụng cho các phép toán phổ biến • E.g., di chuyển giữa các thanh ghi add $t2, $s1, $zero

Sep-16

Operands of the Computer Hardware

32

§2.4 Signed and Unsigned Numbers

Unsigned Binary Integers • Given an n-bit number

x  x n1 2  

 x n2 2

n2

1

   x1 2  x 0 2

0

Range: 0 to +2n – 1 Example 



n 1

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 10112 = 0 + … + 1×23 + 0×22 +1×21 +1×20 = 0 + … + 8 + 0 + 2 + 1 = 1110

Using 32 bits 

0 to +4,294,967,295 Sep-16

Review: Signed and Unsigned Numbers

33

Review: Unsigned Binary Representation Hex

Binary

Decimal

0x00000000

0…0000

0

0x00000001

0…0001

1

0x00000002

0…0010

2

0x00000003

0…0011

3

0x00000004

0…0100

4

0x00000005

0…0101

5

0x00000006

0…0110

6

0x00000007

0…0111

7

0x00000008

0…1000

8

0x00000009

0…1001

9

1…1100

0xFFFFFFFD

1…1101

0xFFFFFFFE

1…1110

0xFFFFFFFF

1…1111

Sep-16

...

23 22 21 20

31 30 29

...

3 2 1

1 1 1

...

1 1 1 1 bit

1 0 0 0

...

0

bit weight bit position

0 0 0 0 - 1

232 - 1

… 0xFFFFFFFC

231 230 229

232 - 4 232 - 3 232 - 2 232 - 1 Review: Signed and Unsigned Numbers

34

2s-Complement Signed Integers • Given an n-bit number

x   x n1 2  

n2

 x n2 2

1

   x1 2  x 0 2

0

Range: –2n – 1 to +2n – 1 – 1 Example 



n 1

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 11002 = –1×231 + 1×230 + … + 1×22 +0×21 +0×20 = –2,147,483,648 + 2,147,483,644 = –410

Using 32 bits 

–2,147,483,648 to +2,147,483,647 Sep-16

Review: Signed and Unsigned Numbers

35

2s-Complement Signed Integers • Bit 31 is sign bit • 1 for negative numbers • 0 for non-negative numbers

• –(–2n – 1) can’t be represented • Non-negative numbers have the same unsigned and 2s-complement representation • Some specific numbers • • • •

0: 0000 0000 … 0000 –1: 1111 1111 … 1111 Most-negative: 1000 0000 … 0000 Most-positive: 0111 1111 … 1111 Sep-16

Review: Signed and Unsigned Numbers

36

Signed Binary Representation

2’sc binary

decimal

-23 =

1000

-8

-(23 - 1) =

1001

-7

1010

-6

1011

-5

1100

-4

1101

-3

1110

-2

1111

-1

0000

0

0001

1

0010

2

0011

3

0100

4

0101

5

0110

6

0111

7

complement all the bits 1011

0101 and add a 1

and add a 1 1010

0110

complement all the bits

23 - 1 = Sep-16

Review: Signed and Unsigned Numbers

37

Sign Extension • Biểu diễn một số khi sử dụng nhiều bit hơn • Giữ nguyên giá trị

• Trong tập lệnh MIPS • addi: extend immediate value • lb, lh: extend loaded byte/halfword • beq, bne: extend the displacement

• Nhân rộng các bit dấu bên trái • c.f. unsigned values: extend with 0s

• Examples: 8-bit to 16-bit • +2: 0000 0010 => 0000 0000 0000 0010 • –2: 1111 1110 => 1111 1111 1111 1110 Sep-16

Review: Signed and Unsigned Numbers

38

Review : Evaluating ISAs • Design-time metrics: • Can it be implemented? With what performance, at what costs (design, fabrication, test, packaging), with what power, with what reliability? • Can it be programmed? Ease of compilation?

• Static Metrics: • How many bytes does the program occupy in memory?

• Dynamic Metrics: • How many instructions are executed? How many bytes does the processor fetch to execute the program? CPI • How many clocks are required per instruction? • How "lean" a clock is practical?

Best Metric: Time to execute the program! depends on the instructions set, the processor organization, and compilation techniques. Inst. Count Sep-16

Representing Instructions in the Computer

Cycle Time 39

Two Key Principles of Machine Design 1. Instructions are represented as numbers and, as such, are indistinguishable from data 2. Programs are stored in alterable memory (that canMemory be read or written to) just like data Accounting prg (machine code)  Stored-program concept  

Programs can be shipped as files of binary numbers – binary compatibility Computers can inherit ready-made software provided they are compatible with an existing ISA – leads industry to align around a small number of ISAs

Sep-16

C compiler (machine code) Payroll

data

Source code in C for Acct prg

Representing Instructions in the Computer

40

MIPS (RISC) Design Principles • Simplicity favors regularity • fixed size instructions • small number of instruction formats • opcode always the first 6 bits

• Smaller is faster • limited instruction set • limited number of registers in register file • limited number of addressing modes

• Make the common case fast • arithmetic operands from the register file (load-store machine) • allow instructions to contain immediate operands

• Good design demands good compromises • three instruction formats Sep-16

Representing Instructions in the Computer

41

MIPS-32 ISA

Registers

• Phân loại theo chức năng • • • •

R0 - R31

Computational Load/Store Jump and Branch Floating Point

PC HI

• coprocessor

LO

• Memory Management • Special

Phân loại theo định dạng lệnh op

rs

rt

op

rs

rt

op

rd

sa

funct

immediate

jump target Sep-16

Representing Instructions in the Computer

R format I format J format 42

MIPS Instruction Fields • Các trường của MIPS op 6 bits

rs 5 bits

rt 5 bits

rd shamt funct 5 bits 5 bits 6 bits

 Op: phép toán cơ bản của lệnh, thương được gọi là opcode (mã lệnh)  Rt: toán hạngRs : toán hạng thanh ghi thứ nhất  nguồn thanh ghi thứ hai.  Rd: toán hạng thanh ghi đích. Nơi lưu kết quả của phép toán.  Shamt: shit amount  Funct: trường này thường được gọi là mã hàm (function code), chọn biến cụ thể của phép toán trong trường mã lệnh. Sep-16

Lecture review

43

Question • Có tất cả bao nhiêu lệnh MIPS được biểu diễn? • Tầm địa chỉ của lệnh I-TYPE? • Tầm địa chỉ của lệnh J-Type?

Sep-16

Lecture review

44

MIPS (RISC) Design Principles Có 4 nguyên tắc thiết kế cơ bản:

1. Simplicity favors regularity 2. Smaller is faster 3. Make the common case fast 4. Good design demands good compromises

Sep-16

Lecture review

45

Operands of the computer hardware Có ba loại toán hạng:

1. Toán hạng thanh ghi (Register Operand) 2. Toán hạng bộ nhớ

(Memory Operand)

3. Toán hạng trực tiếp (Immediate Operand)

Sep-16

Lecture review

46

MIPS Instruction Fields • Các trường của MIPS op 6 bits

rs 5 bits

rt 5 bits

rd shamt funct 5 bits 5 bits 6 bits

 Op: phép toán cơ bản của lệnh, thương được gọi là opcode (mã lệnh)  Rs : toán hạng thanh ghi thứ nhất  Rt: toán hạng nguồn thanh ghi thứ hai.  Rd: toán hạng thanh ghi đích. Nơi lưu kết quả của phép toán.  Shamt: shit amount  Funct: trường này thường được gọi là mã hàm (function code), chọn biến cụ thể của phép toán trong trường mã lệnh. Sep-16

Lecture review

47

Instruction format 3 Instruction Formats: all 32 bits wide op

rs

rt

op

rs

rt

op

rd

sa

immediate

jump target

funct

R format I format J format

R format: Các lệnh có các toán hạng là toán hạng thanh ghi I format: Các lệnh có các toán hạng là toán hạng bộ nhớ J format: Các lệnh nhảy (Jump)

Sep-16

Lecture review

48

MIPS instruction class Instruction class Arithmetic Số học Data transfer Di chuyển dữ liệu Logical Luận lý Conditional branch Rẽ nhánh có điều kiện Jump Nhảy

MIPS example

add, sub, addi lw, sw, lb, lbu, lh, lhu, sb, lui and, or, nor, andi, ori, sll, srl beq, bne, slt, slti, sltiu j, jr, jal FIGURE 2.45, textbook, p.179

Sep-16

Lecture review

49

Next Lecture and Reminder • Next lecture • Instruction: language of the Computer – L02 • Các lệnh số học • Các lệnh luận lý

• Reminder

Sep-16

50