Appunti e guida completa - ACSO Modulo 1 (Architettura dei calcolatori e RISC-V) - Teoria ed Esercizi Svolti

APPUNTI delle LEZIONI di

A.C.S.O.

Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi

MODULO 1

Cristina Silvano ∙ Mattia Balla

Appunti di Niccolò Matulli e Bruno Angelo Peri

INDICE

Assembly RISC-V............................................................................................................................................................. 5

Memoria...............................................................................................................................................................................................................5

Istruzioni..............................................................................................................................................................................................................7

Istruzioni aritmetico-logiche........................................................................................................................................................ 9

ADD immediata.......................................................................................................................................................................... 10

MUL (interi)..................................................................................................................................................................................... 10

DIV (interi).........................................................................................................................................................................................11

REM....................................................................................................................................................................................................... 11

Scorrimento (shift)...................................................................................................................................................................... 11

Istruzioni di confronto.............................................................................................................................................................. 11

Pseudo-istruzioni........................................................................................................................................................................12

Istruzioni di trasferimento da/verso memoria.................................................................................................................12

ld (load double)............................................................................................................................................................................ 12

sd (store double)..........................................................................................................................................................................12

.eqv (define).................................................................................................................................................................................... 13

Pseudo-istruzioni di trasferimento.................................................................................................................................13

li (load Immediate)............................................................................................................................................................ 13

la (load address)..................................................................................................................................................................14

Istruzioni di salto..................................................................................................................................................................................16

Istruzioni di salto condizionato......................................................................................................................................... 17

Istruzioni di salto incondizionato.....................................................................................................................................17

Pseudo-istruzioni..............................................................................................................................................................20

Formato delle istruzioni (Linguaggio Macchina)...................................................................................................................21

Tipo R..........................................................................................................................................................................................................22

Tipo I............................................................................................................................................................................................................23

Tipo S.......................................................................................................................................................................................................... 24

Tipo B (branch).................................................................................................................................................................................... 24

Tipo J...........................................................................................................................................................................................................26

Gestione di costanti su 32-bit.................................................................................................................................................... 26

Tipo U.................................................................................................................................................................................................28

Sommario delle istruzioni............................................................................................................................................................ 28

Processo di traduzione da linguaggio C.....................................................................................................................................29

Struttura del programma..................................................................................................................................................................... 30

Allineamento in memoria delle variabili............................................................................................................................ 32

Esempi di traduzione...................................................................................................................................................................... 36

1. IF - costrutto condizionale a due vie (THEN-ELSE).........................................................................................36

2. WHILE – ciclo a condizione iniziale.......................................................................................................................... 36

3. DO-WHILE – ciclo a condizione finale.................................................................................................................... 37

4. FOR – ciclo a conteggio................................................................................................................................................... 37

Funzioni e Stack.......................................................................................................................................................................................... 37

Pila (Stack)............................................................................................................................................................................................... 41

Gestione pila: PUSH..................................................................................................................................................................41

Gestione pila: POP....................................................................................................................................................................42

Chiamata a funzione.......................................................................................................................................................................44

Linker..................................................................................................................................................................................................................46

Tipi di simboli....................................................................................................................................................................................... 49

Simboli Interni.............................................................................................................................................................................49

Simboli Esterni............................................................................................................................................................................ 49

Processo di assemblaggio...........................................................................................................................................................50

Processo di linking............................................................................................................................................................................ 56

1. Gestione della memoria................................................................................................................................................... 56

2. Creazione tabella globale................................................................................................................................................56

3. Correzione dei riferimenti nei moduli.................................................................................................................... 57

Reti Logiche................................................................................................................................................................... 60

Proprietà dell’algebra di commutazione................................................................................................................................... 62

Traduzione Funzione - Grafico...........................................................................................................................................................63

Semplificazione di una funzione..................................................................................................................................................... 64

Insiemi di operatori funzionalmente completi......................................................................................................................64

Generalizzazioni porte a n ingressi.................................................................................................................................................65

Reti combinatorie...................................................................................................................................................................................... 66

Da circuito a funzione logica..................................................................................................................................................... 66

Da circuito a tabella di verità......................................................................................................................................................66

Da tabella a circuito (e a formula)...........................................................................................................................................67

Sintesi 1ª forma canonica (SoP)....................................................................................................................................... 68

Sintesi 2ª forma canonica (PoS).......................................................................................................................................69

I circuiti sequenziali.................................................................................................................................................................................. 70

Bistabile SR asincrono....................................................................................................................................................................70

Segnale di clock (o sincronizzazione)...................................................................................................................................74

Bistabile SR sincrono.......................................................................................................................................................................74

Bistabile D sincrono..........................................................................................................................................................................75

Flip-Flop D Master-Slave............................................................................................................................................................... 76

Flip-Flop SR Master-Slave.............................................................................................................................................................77

Sommario sui Bistabili........................................................................................................................................................... 78

Blocchi Funzionali Combinatori.......................................................................................................................................................79

Blocchi di Base.................................................................................................................................................................................... 79

Blocchi Aritmetici (Sommatori)............................................................................................................................................... 79

ALU.............................................................................................................................................................................................................. 79

Architettura dell'ALU............................................................................................................................................................... 79

Struttura interna di un blocco di ALU a 1-bit..........................................................................................................80

Come si realizzano le diverse operazioni?................................................................................................................80

I Segnali di Stato Globali dell'ALU................................................................................................................................... 81

Register File....................................................................................................................................................................................................82

Processore RISC-V........................................................................................................................................................83

Fase 1 (Fetch)................................................................................................................................................................................................. 83

Fase 2 (Decode)...........................................................................................................................................................................................84

Fase 3 (ALU)....................................................................................................................................................................................................86

Fase 4 (RegWrite).......................................................................................................................................................................................86

Istruzioni R..............................................................................................................................................................................................87

Istruzioni aritmetico-logiche con immediato o load/store?......................................................................................... 87

Istruzioni I............................................................................................................................................................................................... 88

Load............................................................................................................................................................................................................ 89

Istruzioni S.............................................................................................................................................................................................. 90

Architettura del processore RISC-V................................................................................................................................................92

Istruzioni B..............................................................................................................................................................................................92

Il controllore della ALU...................................................................................................................................................................94

Codici operativi e segnali di controllo......................................................................................................................... 94

Tempo di esecuzione delle istruzioni...................................................................................................................................95

Pipelining.........................................................................................................................................................................................................96

Problema dei conflitti................................................................................................................................................................... 108

Conflitto di dati (Data Hazard)........................................................................................................................................108

Livello Software................................................................................................................................................................ 109

Inserimento delle nop.........................................................................................................................................109

Scheduling...........................