1 курс 1 семестр / лекции / Лекция 2 Процессор MIPS

Лекция 2. Процессоры MIPPS.

1.Архитектура процессора MIPS.

2.Инструкции, операнды, регистры, память.

3.Расшифровка машинных кодов.

Литература:

1.Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. Дэвид М. Харрис и Сара Л. Харрис, 2009г.

2.Архитектура ЭВМ и систем В.Л. Бройдо, О.П.

Ильина, 2006г.

1. Архитектура процессора MIPS.

Слова в языке компьютера называются «инструкциями» или «командами», а словарный запас компьютера –«системой команд» Инструкция компьютера определяет операцию, которую нужно исполнить, и её операнды, куда поместить результат операции .

инструкция

MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)—микропроцессор без блокировок в конвейере.

Микропроцессор, разработанный компанией MIPS Computer Systems (в настоящее время MIPS Technologies) использует следующую систему команд: RISC ( reduced instruction set computer)-система с упрощенным набором команд.

Ранние модели процессора имели 32-битную структуру. В настоящее время существуют 64-битные версии.

Основная идея MIPS Technologies, которой руководствовался Джон Хеннеси со своей командой, проектировавший в 1981 году первый MIPSпроцессор:

1.Сильно упростив внутреннее устройство CPU и используя очень длинный конвейер*, можно получить процессор, не умеющий выполнять сравнительно сложные инструкции, зато работающий на очень высоких тактовых частотах, позволяющих скомпенсировать потери производительности на выполнение этих сложных инструкций.

2. MIPS-процессоры не будут аппаратно поддерживать даже операции умножения и деления - благодаря чему можно было

обойтись без сложных в реализации блокировок конвейера

*Примечание:

Конвейер – способ организации параллельного исполнения инструкций для повышения производительности процессора

Конвейерная организация исполнения инструкций.

Исполнение любой инструкции характеризуются типовыми процессами, например: П1 – процесс выборки команды из памяти; П2 – расшифровка команды (что делать); П3 – определение адреса операндов инструкции; П4 – исполнение команды; П5 – запоминание результата. Все эти процессы повторяются над любой командой!!!

Вывод:

Исполнение инструкций И происходит параллельно по процессам их исполнения и все инструкции будут выполнятся быстро, но при этом каждая инструкция должна быть простой и требующей одинаковых по времени процессов исполнения.

Микропроцессоры - это цифровые системы, которые читают и выполняют команды машинного языка.

Взаимное расположение регистров, памяти, АЛУ и других блоков, из которых состоит микропроцессор, называют микроархитектурой.

MIPS формировалась из желания разработчиков следовать четырем простым принципам, сформулированным Паттерсоном и Хеннесси:

1)единообразие для простоты построения;

2)типичный сценарий должен быть быстрым;

3)чем меньше, тем быстрее;

4)хорошая разработка требует хороших компромиссов.

введена временная переменная t.

Второй принцип хорошей разработки компьютерной архитектуры:

Типичный сценарий должен быть быстрым.

Количество команд специально оставляют небольшим, чтобы аппаратное обеспечение для их поддержки было простым и быстрым. Более сложные операции выполняются при помощи

последовательности нескольких простых команд – за счет конвейера.

2.2. Операнды: регистры и константы.

Операнды могут находиться в регистрах или в памяти, а еще они могут быть константами, записанными в теле самой инструкции.

Регистры

Архитектура MIPS использует 32 регистра, которые называют

набором регистр или регистровым файлом.

Чем меньше количество регистров, тем быстрее к ним доступ.

Третье правило хорошей разработки компьютерной архитектуры:

Чем меньше, тем быстрее.

Регистровые файлы обычно состоят из маленького массива быстрой памяти типа SRAM (Static Random Accessory Memory) – статическая память с произвольным доступом.

РЕГИСТРОВЫЕ ОПЕРАНДЫ.

MIPS обычно хранит переменные в 18 из 32 регистров: $s0-$s7 и $t0- $t9.

Регистр $, с именами s называют сохраняемыми (англ.: saved) регистрами, с именами t, называют временными (англ.: temporary) регистрами.

Функция a=b+c-d

Код на языке ассемблера MIPS:

$s0=a $s1=b $s2=c $s3=d # распределение памяти

Для чтения слова MIPS использует команду (анзл.: load word): lw,

что обеспечивает чтения данных из памяти в регистр.

Код чтения и загрузки слова, находящегося в памяти по адресу 00000001, в регистр $s3:

lw $s3, 1 ($s0) # read

Инструкция lw определяет эффективный адрес в памяти как сумму базового адреса и смещения.

Базовый адрес (записан в скобках в инструкции) является нулевым регистром, значение которого всегда 00000000, смещение - константа 1.

Инструкция lw читает значение из памяти по адресу: (00000000 + 1) = 00000001.

в $s3 появляется значение 0xF2F1AC07, которое было в памяти по адресу 00000001.

Инструкция сохранить слово (англ.; store word)- sw. Используется для записи данных из регистра в память.