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Modos de Direccionamiento y Conjunto de Operaciones del Procesador x86 (Intel Core i7) (01 Abril 2011)

Emilio Rodríguez emicloud91@hotmail.com , Geovanny Campoverde geocampo_14@hotmail.com

Resumen - El presente documento nos dará a conocer los Métodos de Direccionamiento que realiza el Procesador (CPU) para el manejo de los datos, además del Conjunto de Operaciones del mismo, analizando primeramente aspectos fundamentales de dicho Juego de Instrucciones basado en el procesador x86, para finalmente contrastarlo con la última generación de procesadores como son los Intel, específicamente el Procesador Intel Core i7.

Palabras Clave: Campos, Direccionamiento, Procesador, Operaciones, Datos, Registros, Instrucciones de Datos, Operandos.

I. INTRODUCCIÓN

Como es ya de nuestro conocimiento el avance en el desarrollo de los procesadores ha sido a pasos agigantados. Año a año nuevas tecnologías se desarrollan lo que implica que la fabricación de los procesadores tiene que ser constante teniendo como exigencia principal la capacidad de procesamiento de datos.

Cada vez las mejoras en la Computación exigen un mayor manejo de datos, para ello este artículo nos mostrara de una manera global como se manejan los datos dentro del procesador, llegando así a conocer cada uno de los Modos de Direccionamiento del Procesador.

También se sabe que a partir del desarrollo del procesador x86 los nuevos procesadores fueron fabricados en base al Conjunto de Instrucciones de este, es por eso que se analizará principalmente el Conjunto de Instrucciones del x86 y posteriormente lo que se ha añadido a los nuevos procesadores Intel Core i7.

II. MODOS DE DIRECCIONAMIENTO

Son las diferentes maneras de especificar en informática un operando dentro de una instrucción (lenguaje ensamblador). Cómo se especifican e interpretan las direcciones de memoria según las instrucciones.

Un modo de direccionamiento especifica la forma de calcular la dirección de memoria efectiva de un operando mediante el uso de la información contenida en registros y / o constantes, contenida dentro de una instrucción de la máquina o en otra parte.

Los ordenadores utilizan técnicas de direccionamiento con los siguientes fines:

1 – Dar versatilidad de programación al usuario, proporcionando facilidades tales como índices, direccionamientos indirectos, etc., esta versatilidad sirve para manejar estructuras de datos complejas como vectores, matrices, etc.

2 – Reducir el número de bits del campo de operando.

Es tal la importancia de los modos de direccionamiento que la potencia de una maquina se mide tanto por su repertorio de instrucciones como por la variedad de modos de direccionamiento que es capaz de admitir.

A. Tipos de Métodos de Direccionamiento

1) Implícito

En este modo de direccionamiento no es necesario poner ninguna dirección de forma explícita, ya que en el propio código de operación se conoce la dirección del (de los) operando(s) al (a los) que se desea acceder o con el (los) que se quiere operar.

Un ejemplo de este tipo de direccionamiento lo podemos encontrar en la arquitectura de acumulador (AC) donde siempre hay un parámetro implícito y este es el AC.

Finalizando y para dejar este modo de direccionamiento generalizado para las arquitecturas más usuales, se remarca que también podemos encontrarlo en la arquitectura con registros de propósito general, por ejemplo con órdenes como set c, que pone a 1 el registro c (acarreo).

2) Inmediato

En la instrucción está incluido directamente el operando. En este modo el operando es especificado en la instrucción misma. En otras palabras, una instrucción de modo inmediato tiene un campo de operando en vez de un campo de dirección.

El campo del operando contiene el operando actual que se debe utilizar en conjunto con la operación especificada en la instrucción. Las instrucciones de modo inmediato son útiles para inicializar los registros en un valor constante.

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Cuando el campo de dirección especifica un registro del procesador, la instrucción se dice que está en el modo de registro.

Función:

Fig. 1. Funcionamiento del Método de Direccionamiento Inmediato

Ejemplo 1: MOV A, #17H

3) Directo

El campo de operando en la instrucción contiene la dirección en memoria donde se encuentra el operando. En este modo la dirección efectiva es igual a la parte de dirección de la instrucción. El operando reside en la memoria y su dirección es dada directamente por el campo de dirección de la instrucción. En una instrucción de tipo ramificación el campo de dirección especifica la dirección de la rama actual. Con este tipo de direccionamiento, la dirección efectiva es contenida en la misma instrucción, tal como los valores de datos inmediatos que son contenidos en la instrucción. Un procesador de 16 bits suma la dirección efectiva al contenido del segmento de datos previamente desplazado en 4 bits para producir la dirección física del operando. Función:

Fig. 2. Funcionamiento del Método de Direccionamiento Directo

Ejemplo: MOV A, 17H

4) Indirecto

El campo de operando contiene una dirección de memoria, en la que se encuentra la dirección efectiva del operando. Función:

Fig. 3. Funcionamiento del Método de Direccionamiento Indirecto

Ejemplo: MOV A,@17H

5) Absoluto El campo de operando contiene una dirección en memoria, en la que se encuentra la instrucción.

6) De registro

Sirve para especificar operandos que están en registros.

Fig. 4. Funcionamiento del Método de Direccionamiento Directo

Ejemplo: MOV A, R0

7) Indirecto mediante registros

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El campo de operando de la instrucción contiene un identificador de registro en el que se encuentra la dirección efectiva del operando. En este modo el campo de la dirección de la instrucción da la dirección en donde la dirección efectiva se almacena en la memoria. El control localiza la instrucción de la memoria y utiliza su parte de dirección para accesar la memoria de nuevo para leer una dirección efectiva. Unos pocos modos de direccionamiento requieren que el campo de dirección de la instrucción sea sumado al control de un registro especificado en el procesador. La dirección efectiva en este modo se obtiene del siguiente cálculo: Dir. Efectiva = Dir. De la parte de la instrucción + Contenido del registro del procesador Función:

Fig. 5. Funcionamiento del Método de Direccionamiento Indirecto mediante Registros

Ejemplo: MOV A,@R0

8) De desplazamiento Combina el modo directo e indirecto mediante registros.

9) De pila Se utiliza cuando el operando está en memoria y en la cabecera de la pila. Este direccionamiento se basa en las estructuras denominadas Pila (tipo LIFO), las cuales están marcados por el fondo de la pila y el puntero de pila (*SP), El puntero de pila apunta a la última posición ocupada. Así, como puntero de direccionamiento usaremos el SP. El desplazamiento más el valor del SP nos dará la dirección del objeto al que queramos hacer referencia. En ocasiones, si no existe C. de desplazamiento solo se trabajara con la cima de la pila. Este tipo de direccionamiento nos aporta flexibilidad pero por el contrario, es mucho más complejo que otros tipos tratados anteriormente.

10) Indexado respecto a una base En este modo el contenido de un registro índice se suma a la parte de dirección de la instrucción para obtener la dirección efectiva.

El registro índice es un registro CPU especial que contiene un valor índice. Un campo de dirección de la instrucción define la dirección inicial del arreglo de datos en la memoria. Cada operando del arreglo se almacena en la memoria en relación con la dirección inicial. La distancia entre la dirección inicial y la dirección del operando es el valor del índice almacenado en el registro de índice. Cualquier operando en el arreglo puede accesarse con la misma instrucción siempre y cuando el registro índice contenga el valor de índice correcto. El registro índice puede incrementarse para facilitar el acceso a operandos consecutivos. Nótese que si una instrucción de tipo índice no incluye un campo de dirección en su formato, la instrucción se convierte al modo de operación de indirecto por registro.

Algunas computadoras dedican un registro de CPU para que funcione exclusivamente como un registro índice. De manera implícita este registro participa cuando se utiliza una instrucción de modo índice. En las computadoras con muchos registros de procesador, cualquiera de los registros de la CPU puede contener el número de índice. En tal caso, el registro debe estar especificado en forma explícita en un campo de registro dentro del formato de instrucción.

11) Direccionamiento de registro base

En este modo, el contenido de un registro base se suma a la parte de dirección de la instrucción para obtener la dirección efectiva. Esto es similar al modo de direccionamiento indexado, excepto en que el registro se denomina ahora registro base, en lugar de registro índice. La diferencia entre los dos modos está en la manera en que se usan más que en la manera en que se calculan. Se considera que un registro base contiene una dirección base y que el campo de dirección de la instrucción proporciona un desplazamiento en relación con esta dirección base. El modo de direccionamiento de registro base se utiliza en las computadoras para facilitar la localización de los programas en memoria.

III. CONJUNTO DE INSTRUCCIONES DEL PROCESADOR x86

El Conjunto de Instrucciones también llamado Juego de Instrucciones o ISA (del inglés Instruction Set Architecture, Arquitectura del Conjunto de Instrucciones) es una especificación que detalla las instrucciones que un procesador de una computadora puede entender y ejecutar, es decir el conjunto de todos los comandos implementados por un diseño particular de un procesador. El término describe los aspectos del procesador generalmente visibles a un programador, incluyendo los tipos de datos nativos, las instrucciones, los registros, la arquitectura de memoria y las interrupciones, entre otros aspectos.

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El conjunto de instrucciones se emplea a veces para distinguir este conjunto de características de la micro-arquitectura, que son los elementos y técnicas que se emplean para implementar el conjunto de instrucciones. Entre estos elementos se encuentras las microinstrucciones y los sistemas de caché.

Procesadores con diferentes diseños internos pueden compartir un conjunto de instrucciones; por ejemplo el Intel Pentium y AMD Athlon implementan versiones casi idénticas del conjunto de instrucciones x86, aunque tienen diseños internos completamente opuestos.

A. Características del Conjunto de Instrucciones

Las Características principales en general de un Conjunto de Instrucciones son:

1) Completo: Que se pueda realizar en un tiempo finito cualquier tarea ejecutable con un ordenador (computable o decidible).

2) Eficiente: Que permita alta velocidad de cálculo sin exigir una elevada complejidad en su UC y ALU y sin consumir excesivos recursos (memoria), es decir, debe cumplir su tarea en un tiempo razonable minimizando el uso de los recursos.

3) Autos contenidos: Esto es, que contengan en sí mismas toda la información necesaria para ejecutarse.

4) Independientes: Que no dependan de la ejecución de alguna otra instrucción.

Además se puede decir que para que un conjunto de instrucciones sea completo solo se necesitan cuatro instrucciones:

-> escritura

-> mover a la izquierda una posición y leer

-> mover a la derecha una posición y leer

-> parar

Con este conjunto no se puede conseguir la eficiencia del repertorio de instrucciones por lo que en la práctica el conjunto suele ser más amplio en aras de conseguir un mejor rendimiento, tanto en uso de recursos como en consumo de tiempo.

Básicamente el Conjunto de Instrucciones se basa en dos aspectos fundamentales:

1) Densidad de Código

Es una característica fundamental pues muchos de los programas en la actualidad tienen instrucciones muy complejas lo cual hace que el manejo de los procesos

necesite cada vez un procesador más eficaz, el cual pueda procesar los datos de una manera rápida, directa y sin retardos.

2) Numero de Operandos

El número de Operandos se refiere a como los datos se van procesando durante la ejecución de una instrucción.

B. Formato de las Instrucciones.

El formato de la instrucciones es un conjunto de especificaciones que indican como debe ser interpretado el patrón de bits de una instrucción de máquina para logra su ejecución dentro del computador.

El formato de la instrucción nos indica cual es el código de operación y cuáles son los Operandos que la instrucción específica, tanto explícita como implícitamente.

C. Tipo de las Instrucciones.

1) Transferencia de Datos

Copian datos de un origen a un destino, sin modificar el origen y normalmente sin afectar a los flags o indicadores de condición. Pueden transferir palabras, fracciones de palabras (bytes, media palabra) o bloques completos de n bytes o palabras.

TABLA I

EJEMPLOS DE TRANSFERENCIA DE DATOS

2) Instrucciones Aritméticas

Son efectuadas por la ALU y suelen cambiar los flags o indicadores de condición.

TABLA II

EJEMPLOS DE INSTRUCCIONES ARITMETICAS

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3) Instrucciones Lógicas

Realizan operaciones booleanas "bit a bit" entre dos operandos. Como las aritméticas también modifican los flags.

TABLA III

EJEMPLOS DE INSTRUCCIONES LOGICAS

4) Instrucciones Comparación

Suelen preceder a una instrucción de bifurcación condicional y modifican los flags. No hay que pensar que las instrucciones de salto condicional dependen de este repertorio, ya que lo único que hace el salto condicional es consultar los flags y salta si precede, pero no depende de ninguna instrucción de comparación. (De hecho cualquier operación aritmética realizada anteriormente a un salto condicional puede provocar que este "salte").

TABLA IV

EJEMPLOS DE INSTRUCCIONES DE COMPARACIÓN

5) Control de Flujo de Programa

Permiten modificar la secuencia normal de ejecución de un programa, puede hacerse por salto condicional relativo o absoluto.

Se clasifican en cuatro grupos:

a) salto incondicional: Salta sin comprobar ninguna condición.

b) salto condicional: Salta si la condición se cumple.

c) Llamada a subrutinas: Invoca la ejecución de funciones anteriormente definidas.

d) Gestión de las interrupciones: Se usan para llamar a las rutinas de servicio de interrupción y esto se puede hacer por hardware o bien por software. Necesita una instrucción similar a return para retornar al contexto anterior pero restableciendo el estado de la máquina, para no afectar a la aplicación a la cual se interrumpió (iret).

6) Instrucciones de Desplazamiento.

Pueden ser aritmético o lógico y pueden incluir o no rotaciones. Pueden ser de izquierda a derecha.

TABLA V

EJEMPLOS DE INSTRUCCIONES DE DESPLAZAMIENTO

7) Instrucciones de Bits.

Comprueban un bit del operando y su valor lo reflejan en el indicador de cero. Pueden poner un bit a 0 o complementarlo.

TABLA VI

EJEMPLOS DE INSTRUCCIONES DE BITS

8) Entrada/Salida

Son instrucciones de transferencia salvo que el origen/destino de dicho flujo es un puerto de un dispositivo de E/S. Estas instrucciones pueden darse mediante dos alternativas:

a) E/S "mapeada" en memoria: Los periféricos tienen direcciones asignadas de la MP por lo que no se necesitan instrucciones especiales y las

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operaciones se realizan con las ya vistas, como son: load, store y move.

b) E/S independiente: Necesitan unas instrucciones especiales para indicarle al procesador que nos estamos refiriendo al mapa de direcciones de E/S, ya que este mapa y el mapa de memoria son disjuntos.

TABLA VII

EJEMPLOS DE INSTRUCCIONES DE ENTRADA/SALIDA

9) Control y Misceláneas

Se usan como semáforos, esto es, se declara una variable entera que tendrá el valor 0 si el recurso esta libre y 1 si está siendo utilizado, de manera que si un procesador comprueba y el semáforo está en 1 tendrá que esperar hasta que este cambie a 0.

TABLA VIII

EJEMPLOS DE INSTRUCCIONES DE BITS

D. Comparación del Conjunto de Instrucciones x86 analizado con el Conjunto de Instrucciones del Procesador Intel Core i7.

Streaming SIMD Extensions (SSE) es un conjunto de instrucciones SIMD (Single Instruction, Múltiple Data – Única Instrucción, Múltiples Datos) añadidas en el año 1.999 al procesador Pentium III, como extensión a la arquitectura x86 como respuesta a la tecnología 3DNow! que AMD tenía implementada años atrás.

La versión 4.2 de las extensiones de vector de Intel SSE trae de regreso al futuro el x86 ISA atrás con la adición de nuevas instrucciones de manipulación de cadenas, pues el soporte a nivel de cadena de procesamiento ISA es una característica de las arquitecturas CISC que se considera obsoleta actualmente en los años post-RISC. Pero la cadena de instrucciones del nuevo SSE 4,2 está destinada a acelerar el procesamiento de

XML, lo que las convierte en perfectas para la Web y aplicaciones futuras basadas en XML.

SSE 4.2 también incluye una instrucción CRC que acelera el almacenamiento y las aplicaciones de red, así como una instrucción POPCNT útil para una variedad de tareas de patrón especificado. Además, para ofrecer mejor soporte a las aplicaciones multi-hilo, Intel ha reducido la latencia de los hilos de las primitivas de sincronización.

En el frente de virtualización, acelera las transiciones y tiene algunas mejoras sustanciales, en su sistema de memoria virtual que reduce en gran medida el número de esas transiciones requeridas por el Hypervisor.

CONCLUSIONES

Como se ha podido constatar, los modos de direccionamiento, y el conjunto de operaciones, es lo que define actualmente a un procesador en el mercado, y a medida que más se actualicen y se logre entender su verdadera utilidad, implementando nuevas formas de uso, podremos tener mucha más potencia y capacidad de procesamiento para los computadores. Consecuentemente con esto, tendremos un avance tecnológico en todas las esferas de una sociedad que actualmente está regida casi completamente por el uso de los ordenadores.

REFERENCIAS

http://www.fdi.ucm.es/profesor/jjruz/WEB2/Temas/EC2.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Conjunto_de_instrucciones

http://www.alegsa.com.ar/Dic/conjunto%20de%20instrucciones.php

http://atc.ugr.es/docencia/udigital/04.html

http://infomicros.wordpress.com/2008/08/12/intelcorei7/

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/PASCAL/document/flujo.htm

http://www.terra.es/personal/fremiro/modos_de_direccionamiento.htm

http://dac.escet.urjc.es/~lrincon/uned/etc1/ModosDireccionamiento.pdf

http://moisesrbb.tripod.com/m_direct.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Modos_de_direccionamiento