Struttura interna della CPU e registri

La CPU deve: prelevare le istruzioni, interpretarle, prelevare i dati, elaborarli, scrivere i risultati (vedi Ciclo fetch-executeRegistri PC, IR, MAR e MBR; ciclo dell'istruzione diviso in fetch ed execute; i quattro tipi di operazioni; diagramma degli stati del ciclo con calcolo degli indirizzi degli operandi e controllo delle interruzioni; esempio su una macchina ad accumulatore.Ciclo fetch-execute →). Per farlo ha bisogno di una piccola memoria interna: i registri.

Componenti: ALU (vedi Unità aritmetico-logica (ALU)Ruolo dell'ALU, ingressi, uscite e flag; ALU a 1 bit con AND, OR e sommatore selezionati da un multiplexer; estensione a 32 bit, sottrazione, confronto set-less-than e rilevazione dello zero e dell'overflow; tabella dei segnali di controllo; unità di moltiplicazione e virgola mobile.Unità aritmetico-logica (ALU) →), unità di controllo, banco dei registri (vedi Registri e contatoriRegistro parallelo a n bit con caricamento abilitato; banco dei registri con due porte di lettura e una di scrittura; registri a scorrimento; contatori sincroni e asincroni (ripple), contatore modulo N con esempio svolto.Registri e contatori →), bus interno che li collega.

Registri visibili all'utente

Il "programmatore" è chi scrive in assembly oppure il compilatore. Può usare:

Proprietà (numero di registri e bit nell'istruzione). Più registri significa meno accessi alla memoria, ma più bit nell'istruzione per indicarli (con 16 registri servono 4 bit per operando, con 32 ne servono 5) e più stato da salvare a ogni chiamata o interruzione. Le architetture RISC ne hanno tipicamente 16–32 (vedi Architetture RISC e CISCMotivazioni del CISC (divario semantico) e dati sull'esecuzione dei programmi; caratteristiche delle architetture RISC; finestre di registri; allocazione dei registri con colorazione di un grafo; confronto e situazione attuale (MIPS, ARM, x86).Architetture RISC e CISC →); ARM a 32 bit ne ha 16, MIPS 32.

Esempio. Con $16$ registri servono $\log_216=4$ bit per operando, con $32$ registri $5$ bit.

Esempio: valutare $(a + b) \cdot (c + d) - (e + f)$ con le variabili in memoria. Con 6 registri liberi si caricano tutte e sei le variabili una volta sola; con 4 registri si devono riusare e alcuni risultati intermedi vanno salvati in memoria e ricaricati. Con pochi registri il codice ha più load e store.

Formula (ampiezza dei registri e spazio di indirizzamento). Ampiezza: i registri per gli indirizzi devono contenere un indirizzo intero: con registri a 32 bit si indirizzano $2^{32}$ byte = 4 GB, a 64 bit $2^{64}$.

Esempio. Registri a $32$ bit indirizzano $2^{32}$ byte $=4$ GB.

Registri di controllo e di stato

Di solito non accessibili direttamente: PC, IR, MAR, MBR e la parola di stato (PSW, Program Status Word; in ARM si chiama CPSR).

Definizione (parola di stato PSW). Contenuto tipico della PSW:

• flag: N (segno, bit più significativo del risultato), Z (zero), C (riporto), V (overflow) — vedi Aritmetica binariaSomma e sottrazione in binario, overflow per senza segno (riporto) e per complemento a 2 (segni), flag del processore, moltiplicazione per somme e scorrimenti, algoritmo di Booth, divisione, shift logici e aritmetici.Aritmetica binaria →;
• abilitazione delle interruzioni;
• bit di supervisore (modo privilegiato): indica se la CPU sta eseguendo codice del sistema operativo. Solo in questo modo sono permesse le istruzioni privilegiate (gestione della memoria, I/O, modifica della PSW stessa); un programma utente che le tenta provoca un'eccezione.

Esempio. A $8$ bit in complemento a 2, $127+1=1000\,0000$ dà $N=1$, $Z=0$, $C=0$, $V=1$.

Segmentazione

In alcune architetture (es. x86) la memoria è divisa logicamente in segmenti con scopi diversi: codice, dati, stack. Gli indirizzi dentro un segmento partono da 0 (indirizzo logico); l'indirizzo lineare si ottiene sommando l'indirizzo base del segmento, tenuto in un registro di segmento. ARM e MIPS non usano segmentazione: lo spazio di indirizzamento è lineare e la protezione è affidata alla Memoria virtualeIndirizzi virtuali e fisici, pagine e frame; traduzione con la tabella delle pagine e calcolo dei campi; page fault e sostituzione delle pagine; TLB e tempo di accesso effettivo; protezione e condivisione; confronto con la cache.Memoria virtuale →.

Errori tipici

• Considerare il PC un registro generale: in MIPS non lo è; in ARM è r15, ma scriverci equivale a un salto.
• Pensare che il bit di supervisore lo possa cambiare il programma utente: lo cambia solo un'interruzione o una chiamata al sistema operativo.