Juego de instrucciones

  • Miquel Albert Orenga

    Miquel Albert Orenga

    Licenciado en Informática por la Universidad Autónoma de Barcelona. Profesor de la Escuela Universitaria Tomàs Cerdà (centro adscrito a la UAB). Desarrolla su actividad docente en las áreas de estructura y arquitectura de computadores, redes y bases de datos.

  • Gerard Enrique Manonellas

    Gerard Enrique Manonellas

    Licenciado en Informática por la Universidad Autónoma de Barcelona. Profesor de la Escuela Universitaria Tomàs Cerdà (centro adscrito a la UAB). Desarrolla su actividad docente en las áreas de estructura y arquitectura de computadores y SOA.

PID_00218279
Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño general y la cubierta, puede ser copiada, reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea este eléctrico, mecánico, óptico, grabación, fotocopia, o cualquier otro, sin la previa autorización escrita del titular de los derechos.

Introducción

El juego de instrucciones es el punto de encuentro entre el diseñador del computador y el programador. Desde el punto de vista del diseñador, es un paso más en la explicitación del procesador de un computador y, desde el punto de vista del programador en ensamblador, la herramienta básica para acceder a los recursos disponibles del computador.
Para definir un juego de instrucciones hay que saber cómo se ejecutan las instrucciones, qué elementos las forman y cuáles son las diferentes maneras de acceder a los datos y a las instrucciones. Estos son los conceptos que trataremos en este módulo y lo haremos de manera genérica para poderlos aplicar a todo tipo de problemas reales y de procesadores comerciales.
Veremos cómo estos conceptos afectan a los diferentes parámetros de la arquitectura del computador a la hora de definir el juego de instrucciones, qué restricciones nos imponen y cómo podemos llegar a un compromiso entre facilitar la tarea al programador y dar una eficiencia máxima al computador.

Objetivos

Con los materiales didácticos de este módulo se pretende que los estudiantes alcancen los objetivos siguientes:

  1. Saber cómo se define el juego de instrucciones de un procesador.

  2. Conocer los tipos de instrucciones más habituales en el juego de instrucciones de un computador de propósito general.

  3. Saber cómo funciona cada una de las instrucciones del juego de instrucciones.

  4. Aprender las nociones básicas necesarias para utilizar un juego de instrucciones de bajo nivel.

  5. Familiarizarse con las maneras de referenciar un dato en una instrucción.

1.Juego de instrucciones

La mayoría de los programas se escriben en lenguajes de alto nivel, como C++, Java o Pascal. Para poder ejecutar un programa escrito en un lenguaje de alto nivel en un procesador, este programa se debe traducir primero a un lenguaje que pueda entender el procesador, diferente para cada familia de procesadores. El conjunto de instrucciones que forman este lenguaje se denomina juego de instrucciones o repertorio de instrucciones.
Para poder definir un juego de instrucciones, habrá que conocer bien la arquitectura del computador para sacarle el máximo rendimiento; en este módulo veremos cómo queda definido un juego de instrucciones según una arquitectura genérica.

1.1.Ciclo de ejecución

Ejecutar un programa consiste en ejecutar una secuencia de instrucciones, de manera que cada instrucción lleva a cabo un ciclo de ejecución. Esta secuencia de instrucciones no será la secuencia escrita que hacemos de un programa, sino la secuencia temporal de ejecución de las instrucciones considerando las instrucciones de salto.
El ciclo de ejecución es la secuencia de operaciones que se hacen para ejecutar cada una de las instrucciones y lo dividiremos en cuatro fases principales:
1) Lectura de la instrucción.
2) Lectura de los operandos fuente.
3) Ejecución de la instrucción y almacenamiento del operando destino.
4) Comprobación de interrupciones.
Diferencias en las fases del ciclo de ejecución
Las fases del ciclo de ejecución son comunes en la mayoría de los computadores actuales y las diferencias principales se encuentran en el orden en el que se llevan a cabo algunas de las operaciones de cada fase o en el que se hacen algunas de las operaciones en otras fases.
En la tabla siguiente podéis ver de manera esquemática las operaciones que se realizan en cada fase:

Inicio del ciclo de ejecución

Fase 1

Lectura de la instrucción

Leer la instrucción.

Descodificar la instrucción.

Actualizar el PC.

Fase 2

Lectura de los operandos fuente

Calcular la dirección y leer el primer operando fuente.

Calcular la dirección y leer el segundo operando fuente.

Fase 3

Ejecución de la instrucción y almacenamiento del operando destino

Ejecutar la instrucción.

Fase 4

Comprobación de interrupciones

Comprobar si algún dispositivo ha solicitado una interrupción.

1.2.Arquitectura del juego de instrucciones

Las instrucciones de una arquitectura son autocontenidas; es decir, incluyen toda la información necesaria para su ejecución.
Uno de los elementos necesarios en cualquier instrucción es el conjunto de operandos. Los operandos necesarios para ejecutar una instrucción pueden encontrarse explícitamente en la instrucción o pueden ser implícitos.
La localización dentro del procesador de los operandos necesarios para ejecutar una instrucción y la manera de explicitarlos dan lugar a arquitecturas diferentes del juego de instrucciones.
Según los criterios de localización y la explicitación de los operandos, podemos identificar las arquitecturas del juego de instrucciones siguientes:

  • Arquitecturas basadas en pila: los operandos son implícitos y se encuentran en la pila.

  • Arquitecturas basadas en acumulador: uno de los operandos se encuentra de manera implícita en un registro denominado acumulador.

  • Arquitecturas basadas en registros de propósito general: los operandos se encuentran siempre de manera explícita, ya sea en registros de propósito general o en la memoria.

Dentro de las arquitecturas basadas en registros de propósito general, podemos distinguir tres subtipos:

  • Registro-registro (o load-store). Solo pueden acceder a la memoria instrucciones de carga (load) y almacenamiento (store).

  • Registro-memoria. Cualquier instrucción puede acceder a la memoria con uno de sus operandos.

  • Memoria-memoria. Cualquier instrucción puede acceder a la memoria con todos sus operandos.

Ventajas de los subtipos de arquitecturas
El subtipo registro-registro presenta las ventajas siguientes respecto a los registro-memoria y memoria-memoria: la codificación de las instrucciones es muy simple y de longitud fija, y utiliza un número parecido de ciclos de reloj del procesador para ejecutarse. Como contrapartida, se necesitan más instrucciones para hacer la misma operación que en los otros dos subtipos.
Los subtipos registro-memoria y memoria-memoria presentan las ventajas siguientes respecto al registro-registro: no hay que cargar los datos en registros para operar en ellos y facilitan la programación. Como contrapartida, los accesos a memoria pueden crear cuellos de botella y el número de ciclos de reloj del procesador necesarios para ejecutar una instrucción puede variar mucho, lo que dificulta el control del ciclo de ejecución y lentifica su ejecución.
Podemos hablar de cinco tipos de arquitectura del juego de instrucciones:
1) Pila
2) Acumulador
3) Registro-registro
4) Registro-memoria
5) Memoria-memoria
Presentamos gráficamente las diferencias entre estos tipos de arquitectura y vemos cómo resuelven una misma operación: sumar dos valores (A y B) almacenados en memoria y guardar el resultado en una tercera posición de memoria (C).

Pila

Acumulador

Registro-registro

Registro-memoria

Memoria-memoria

PUSH [A]

LOAD [A]

LOAD R1 [A]

MOV R1 [A]

MOV [C] [A]

PUSH [B]

ADD [B]

LOAD R2, [B]

ADD R1, [B]

ADD [C], [B]

ADD

STORE [C]

ADD R2, R1

MOV [C], R1

POP [C]

STORE [C], R2

Hemos supuesto que en las instrucciones de dos operandos, el primer operando actúa como operando fuente y operando destino en el ADD y solo como operando destino en el resto, el segundo operando actúa siempre como operando fuente.
A, B y C son las etiquetas que representan las direcciones de memoria donde están almacenados los valores que queremos sumar y su resultado, respectivamente.
Los corchetes indican que tomamos el contenido de estas direcciones de memoria.

1.3.Representación del juego de instrucciones

El juego de instrucciones de una arquitectura se representa desde dos puntos de vista:
1) Desde el punto de vista del computador, cada instrucción se representa como una secuencia de bits que se divide en campos, en los que cada campo corresponde a uno de los elementos que forman la instrucción. Cada bit es la representación de una señal eléctrica alta o baja. Esta manera de representar el juego de instrucciones se suele denominar código de máquina o lenguaje de máquina.
2) Desde el punto de vista del programador, las instrucciones se representan mediante símbolos y se utilizan expresiones mnemotécnicas o abreviaturas. Hay que tener presente que es muy difícil trabajar con las representaciones binarias propias del código de máquina. Esta manera de representar el juego de instrucciones se suele denominar código de ensamblador o lenguaje de ensamblador.

Arquitectura

Instrucción

Operación

CISCA

ADD R1, R2

Suma

Intel x86-64

MUL RAX

Multiplicación

MIPS

lw $S1, 100($S2)

Carga en un registro el valor almacenado en una posición de memoria
Ejemplo para la arquitectura CISCA
Instrucción para sumar dos números que están almacenados en los registros R1 y R2. El resultado quedará almacenado en R1.
Desde el punto de vista del programador: código de ensamblador

Código de operación

Operando 1

Operando 2

ADD

R1

R2
Desde el punto de vista del computador: código de máquina

Código de operación

Operando 1

Operando 2

20h

11h

12h

0010 0000

0001 0001

0001 0010

8 bits

8 bits

8 bits

← 24 bits →

1.4.Formato de las instrucciones

1.4.1.Elementos que componen una instrucción
Los elementos que componen una instrucción, independientemente del tipo de arquitectura, son los siguientes:

  • Código de operación: especifica la operación que hace la instrucción.

  • Operando fuente: para hacer la operación pueden ser necesarios uno o más operandos fuente; uno o más de estos operandos pueden ser implícitos.

  • Operando destino: almacena el resultado de la operación realizada. Puede estar explícito o implícito. Uno de los operandos fuente se puede utilizar también como operando destino.

  • Dirección de la instrucción siguiente: especifica dónde está la instrucción siguiente que se debe ejecutar; suele ser una información implícita, ya que el procesador va a buscar automáticamente la instrucción que se encuentra a continuación de la última instrucción ejecutada. Solo las instrucciones de ruptura de secuencia especifican una dirección alternativa.

1.4.2.Tamaño de las instrucciones
Uno de los aspectos más importantes a la hora de diseñar el formato de las instrucciones es determinar su tamaño. En este sentido, encontramos dos alternativas:

  • Instrucciones de tamaño fijo: todas las instrucciones ocuparán el mismo número de bits. Esta alternativa simplifica el diseño del procesador y la ejecución de las instrucciones puede ser más rápida.

  • Instrucciones de tamaño variable: el tamaño de las instrucciones dependerá del número de bits necesario para cada una. Esta alternativa permite diseñar un conjunto amplio de códigos de operación, el direccionamiento puede ser más flexible y permite poner referencias a registros y memoria. Como contrapartida, aumenta la complejidad del procesador.

Es deseable que el tamaño de las instrucciones sea múltiplo del tamaño de la palabra de memoria.
Para determinar el tamaño de los campos de las instrucciones utilizaremos:
1) Código de operación. La técnica más habitual es asignar un número fijo de bits de la instrucción para el código de operación y reservar el resto de los bits para codificar los operandos y los modos de direccionamiento.
Ejemplo
Si se destinan N bits para el código, tendremos disponibles 2N códigos de operación diferentes; es decir, 2N operaciones diferentes.
En instrucciones de tamaño fijo, cuantos más bits se destinen al código de operación, menos quedarán para los modos de direccionamiento y la representación de los operandos.
Se puede ampliar el número de instrucciones diferentes en el juego de instrucciones sin añadir más bits al campo del código de operación. Solo hay que añadir un campo nuevo, que llamaremos expansión del código de operación. Evidentemente, este campo solo se añade a las instrucciones en las que se haga ampliación de código.
Si de los 2N códigos de los que disponemos reservamos x para hacer la expansión de código y el campo de expansión es de k bits, tendremos 2k instrucciones adicionales por cada código reservado. De esta manera, en lugar de tener un total de 2N instrucciones, tendremos (2n – x) + x · 2k.
Ejemplo
Tenemos n = 3, x = 4 y k = 2. En lugar de disponer de 23 = 8 instrucciones diferentes, tendremos (23 – 4) + 4 · 22 = 20.
Para hacer la expansión del código de operación debemos elegir 4 códigos. En este caso hemos elegido los códigos (010, 011, 100, 101).

Códigos de operación de 3 bits

Códigos de operación con expansión del código

000

100 00

000

001

100 01

001

010 00

100 10

010

010 01

100 11

011

010 10

101 00

100

010 11

101 01

101

011 00

101 10

110

011 01

101 11

111

011 10

110

011 11

111
Evidentemente, en las instrucciones de tamaño fijo, las instrucciones que utilicen el campo de expansión del código de operación dispondrán de menos bits para codificar el resto de los campos de la instrucción.
2) Operandos y modos de direccionamiento. Una vez fijados los bits del código de operación, podemos asignar los bits correspondientes a los operandos y a los modos de direccionamiento. Las dos maneras más habituales de indicar qué modo de direccionamiento utiliza cada uno de los operandos de la instrucción son las siguientes:
a) Con el código de operación: esta técnica se utiliza habitualmente cuando no se pueden utilizar todos los modos de direccionamiento en todas las instrucciones. Esta técnica es la utilizada principalmente en las arquitecturas PowerPC, MIPS y SPARC.
b) En un campo independiente: de esta manera, para cada uno de los operandos añadimos un campo para indicar qué modo de direccionamiento utiliza. El tamaño de este campo dependerá del número de modos de direccionamiento que tengamos y de si se pueden utilizar todos los modos en todos los operandos. Esta técnica es la utilizada principalmente en las arquitecturas Intel x86-64 y VAX.
Para codificar los operandos según los modos de direccionamiento que utilizan, hay que considerar una serie de factores:
a) Número de operandos de la instrucción: cuántos operandos tienen las instrucciones y si son siempre del mismo tamaño.
b) Uso de registros o de memoria como operandos: cuántos accesos a registros y a memoria puede haber en una instrucción.
c) Número de registros del procesador.
d) Rango de direcciones del computador: cuántos bits se necesitan para especificar una dirección que puede ser completa o parcial (como en el caso de memoria segmentada).
e) Número de bits para codificar los campos de desplazamiento o valores inmediatos.
Especificidades de la arquitectura CISCA
Las siguientes son las especificidades de la arquitectura CISCA:

  • El número de operandos puede ser 0, 1 o 2 y de tamaño variable.

  • No puede haber dos operandos que hagan referencia a memoria.

  • Dispone de un banco de 16 registros.

  • Memoria de 232 direcciones de tipo byte (4 Gbytes). Necesitamos 32 bits para codificar las direcciones.

  • Los desplazamientos se codifican utilizando 16 bits.

  • Los valores inmediatos se codifican utilizando 32 bits.

1.5.Operandos

1.5.1.Número de operandos
Las instrucciones pueden utilizar un número diferente de operandos según el tipo de instrucción del que se trate.
Ejemplo
Hay que tener presente que una misma instrucción en máquinas diferentes puede utilizar un número diferente de operandos según el tipo de arquitectura del juego de instrucciones que utilice la máquina.
La instrucción aritmética de suma (C = A + B) utiliza dos operandos fuente (A y B) y produce un resultado que se almacena en un operando destino (C):

  • En una arquitectura basada en pila, los dos operandos fuente se encontrarán en la cima de la pila y el resultado se almacenará también en la pila.

  • En una arquitectura basada en acumulador, uno de los operandos fuente se encontrará en el registro acumulador, el otro estará explícito en la instrucción y el resultado se almacenará en el acumulador.

  • En una arquitectura basada en registros de propósito general, los dos operandos fuente estarán explícitos. El operando destino podrá ser uno de los operandos fuente (instrucciones de dos operandos) o un operando diferente (instrucciones de tres operandos).

Según la arquitectura y el número de operandos de la instrucción podemos tener diferentes versiones de la instrucción de suma, tal como se ve en la tabla siguiente.

Pila

ADD

Suma los dos valores de encima de la pila

Acumulador

ADD R1

Acumulador = Acumulador + R1

Registro-registro

ADD R1, R2

R1 = R1 + R2

ADD R3, R1, R2

R3 = R1 + R2

Registro-memoria

ADD R1, [A01Bh]

R1 = R1+ M(A01Bh)

ADD R2, R1, [A01Bh]

R2 = R1+ M(A01Bh)

Memoria-memoria

ADD [A01Dh], [A01Bh]

M(A01Dh) = M(A01Dh) + M(A01Bh)
Hemos supuesto que, en las instrucciones de dos operandos, el primer operando actúa como operando fuente y también como operando destino. Los valores entre corchetes expresan una dirección de memoria.
1.5.2.Localización de los operandos
Los operandos representan los datos que hemos de utilizar para ejecutar una instrucción. Estos datos se pueden encontrar en lugares diferentes dentro del computador. Según la localización podemos clasificar los operandos de la siguiente manera:

  • Inmediato. El dato está representado en la instrucción misma. Podemos considerar que se encuentra en un registro, el registro IR (registro de instrucción), y está directamente disponible para el procesador.

  • Registro. El dato estará directamente disponible en un registro dentro del procesador.

  • Memoria. El procesador deberá iniciar un ciclo de lectura/escritura a memoria.

En el caso de operaciones de E/S, habrá que solicitar el dato al módulo de E/S adecuado y para acceder a los registros del módulo de E/S según el mapa de E/S que tengamos definido.
Según el lugar donde esté el dato, el procesador deberá hacer tareas diferentes con el fin de obtenerlo: puede ser necesario hacer cálculos y accesos a memoria indicados por el modo de direccionamiento que utiliza cada operando.
1.5.3.Tipo y tamaño de los operandos
Los operandos de las instrucciones sirven para expresar el lugar donde están los datos que hemos de utilizar. Estos datos se almacenan como una secuencia de bits y, según la interpretación de los valores almacenados, podemos tener tipos de datos diferentes que, generalmente, también nos determinarán el tamaño de los operandos. En muchos juegos de instrucciones, el tipo de dato que utiliza una instrucción viene determinado por el código de operación de la instrucción.
Hemos de tener presente que un mismo dato puede ser tratado como un valor lógico, como un valor numérico o como un carácter, según la operación que se haga con él, lo que no sucede con los lenguajes de alto nivel.
A continuación presentamos los tipos generales de datos más habituales:
1) Dirección. Tipo de dato que expresa una dirección de memoria. Para operar con este tipo de dato, puede ser necesario efectuar cálculos y accesos a memoria para obtener la dirección efectiva.
La manera de expresar y codificar las direcciones dependerá de la manera de acceder a la memoria del computador y de los modos de direccionamiento que soporte el juego de instrucciones.
2) Número. Tipo de dato que expresa un valor numérico. Habitualmente distinguimos tres tipos de datos numéricos (y cada uno de estos tipos se puede considerar con signo o sin signo):
a) Números enteros.
b) Números en punto fijo.
c) Números en punto flotante.
Como disponemos de un espacio limitado para expresar valores numéricos, tanto la magnitud de los números como su precisión también lo serán, lo que limitará el rango de valores que podemos representar.
Según el juego de instrucciones con el que se trabaja, en el código ensamblador, se pueden expresar los valores numéricos de maneras diferentes: en decimal, hexadecimal, binario, utilizando puntos o comas (si está en punto fijo) y con otras sintaxis para números en punto flotante; pero en código de máquina siempre los codificaremos en binario utilizando un tipo de representación diferente para cada tipo de valor. Cabe señalar, sin embargo, que uno de los más utilizados es el conocido como complemento a 2, que es una representación en punto fijo de valores con signo.
Ejemplo
Si tenemos 8 bits y el dato es un entero sin signo, el rango de representación será [0,255], y si el dato es un entero con signo, utilizando complemento a 2 el rango de representación será [-128,127].

Forma de expresarlo

Forma de codificarlo con 8 bits

En decimal

En hexadecimal

Entero sin signo

Entero con signo en Ca2

12

0Ch

0000 1100

0000 1100

-33

DFh

No se puede (tiene signo)

1101 1111

150

96h

1001 0110

No se puede
(fuera de rango)

3) Carácter. Tipo de dato que expresa un carácter. Habitualmente se utiliza para formar cadenas de caracteres que representarán un texto.
Aunque el programador representa los caracteres mediante las letras del alfabeto, para poder representarlos en un computador que utiliza datos binarios será necesaria una codificación. La codificación más habitual es la ASCII, que representa cada carácter con un código de 7 bits, lo que permite obtener 128 caracteres diferentes. Los códigos ASCII se almacenan y se transmiten utilizando 8 bits por carácter (1 byte), cuyo octavo bit tiene la función de paridad o control de errores.
Hay otras codificaciones que se pueden utilizar sobre todo en lenguajes de alto nivel, como por ejemplo Unicode, que utiliza 16 bits y es muy interesante para dar soporte multilingüe.
4) Dato lógico. Tipo de dato que expresa un conjunto de valores binarios o booleanos; generalmente cada valor se utiliza como una unidad, pero puede ser interesante tratarlos como cadenas de N bits en las que cada elemento de la cadena es un valor booleano, un bit que puede valer 0 o 1. Este tratamiento es útil cuando se utilizan instrucciones lógicas como AND, OR o XOR.
Eso también permite almacenar en un solo byte hasta 8 valores booleanos que pueden representar diferentes datos, en lugar de utilizar más espacio para representar estos mismos valores.

1.6.Tipos de instrucciones

En general, los códigos de operación de un juego de instrucciones varían de una máquina a otra, pero podemos encontrar los mismos tipos de instrucciones en casi todas las arquitecturas y los podemos clasificar de la manera siguiente:

  • Transferencia de datos

  • Aritméticas

  • Lógicas

  • Transferencia del control

  • Entrada/salida

  • Otros tipos

1.6.1.Bits de resultado
Los bits de resultado nos dan información de cómo es el resultado obtenido en una operación realizada en la unidad aritmeticológica (ALU) del procesador. Al ejecutar una instrucción aritmética o lógica, la unidad aritmeticológica hace la operación y obtiene un resultado; según el resultado, activa los bits de resultado que corresponda y se almacenan en el registro de estado para poder ser utilizados por otras instrucciones. Los bits de resultado más habituales son los siguientes:

  • Bit de cero (Z): se activa si el resultado obtenido es 0.

  • Bit de transporte (C): también denominado carry en la suma y borrow en la resta. Se activa si en el último bit que operamos en una operación aritmética se produce transporte, también se puede deber a una operación de desplazamiento. Se activa si al final de la operación nos llevamos una según el algoritmo de suma y resta tradicional operando en binario o si el último bit que desplazamos se copia sobre el bit de transporte y este es 1.

    Cuando operamos con números enteros sin signo, el bit de transporte es equivalente al bit de desbordamiento; pero con número con signo (como es el caso del Ca2), el bit de transporte y el bit de desbordamiento no son equivalentes y la información que aporta el bit de transporte sobre el resultado no es relevante.

    Bit de transporte en la resta

    El bit de transporte, también denominado borrow, se genera según el algoritmo convencional de la resta. Pero si para hacer la resta A – B, lo hacemos sumando el complementario del sustraendo, A + (–B), el bit de transporte de la resta (borrow) será el bit de transporte (carry) negado obtenido de hacer la suma con el complementario (borrow = carry negado), salvo los casos en los que B = 0, donde tanto el carry como el borrow son iguales y valen 0.

  • Bit de desbordamiento (V): también denominado overflow. Se activa si la última operación ha producido desbordamiento según el rango de representación utilizado. Para representar el resultado obtenido, en el formato que estamos utilizando, necesitaríamos más bits de los disponibles.

  • Bit de signo (S): activo si el resultado obtenido es negativo, el bit más significativo del resultado es 1.

1.6.2.Instrucciones de transferencia de datos
Las instrucciones de transferencia de datos transfieren un dato de una localización a otra dentro del computador.
El tipo y el tamaño de los datos pueden estar especificados de manera implícita en el código de operación. Eso hará que tengamos códigos de operación diferentes según el tipo y el tamaño de los datos que se deben transferir y para indicar implícitamente la localización del operando fuente o destino.
STORx: Indica que transferimos un dato hacia la memoria.
STORB [1000], 020h: Indica que transferimos 1 byte a la posición de memoria 1000.
STORW [1000], R1: Indica que transferimos 2 bytes (1 word), el contenido del registro R1, a las posiciones de memoria 1000 y 1001.
En las arquitecturas de tipo registro-registro se utilizan las instrucciones LOAD y STORE cuando hay que efectuar transferencias de datos con la memoria.
Ejemplo de instrucciones de transferencia de datos en la arquitectura MIPS

Instrucción

Ejemplo

Operación

LOAD destino, fuente

LW $s1,100($s2)

Mueve el contenido de la posición de memoria M($s2+100) al registro $s1

STORE fuente, destino

SW $s1,100($s2)

Mueve el contenido del registro $s1 a la posición de memoria M($s2+100)

MOVE destino, fuente

MOVE $s1,$s2

Mueve el contenido del registro $s2 al registro $s1
En las arquitecturas de tipo registro-memoria o memoria-memoria se utilizan instrucciones MOV cuando hay que llevar a cabo transferencias de datos con la memoria. Es el caso de las arquitecturas Intel x86-64 y CISCA.
Ejemplo de instrucciones de transferencia de datos en la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

MOV destino, fuente

destino ← fuente

MOV RAX, [num_var]

XCHG destino, fuente

destino ← → fuente

Intercambia el contenido de los dos operandos.

XCHG [num_var], RBX

POP destino

destino ← M(SP), actualiza SP.

Saca el valor que hay en la cima de la pila.

POP RAX
Ejemplo de instrucciones de transferencia de datos en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

MOV destino, fuente

destino ← fuente

MOV R1, [nom_var]

PUSH fuente

Actualiza SP, M(SP) ← fuente.

Pone el valor en la cima de la pila.

PUSH R5
1.6.3.Instrucciones aritméticas
Todas las máquinas incluyen instrucciones aritméticas básicas (suma, resta, multiplicación y división) y otras como negar, incrementar, decrementar o comparar.
Cuando hacemos operaciones aritméticas, hemos de tener presentes los tipos de operandos y si los debemos considerar números con signo o sin signo, ya que en algunas operaciones, como la multiplicación o la división, eso puede dar lugar a instrucciones diferentes.
En este subapartado nos centraremos solo en las operaciones aritméticas de números enteros con signo y sin signo. El formato habitual para representar números enteros con signo es el complemento a 2.
Para la representación de números decimales en punto fijo se puede utilizar la misma representación que para los enteros haciendo que la coma binaria esté implícita en alguna posición del número. Para la representación en punto flotante será necesario especificar un formato diferente para representar los números y las instrucciones específicas para operar con ellos.
Suma y resta
Estas operaciones hacen la suma y la resta de dos números; en algunos procesadores se pueden hacer teniendo en cuenta el valor del bit de transporte como bit de transporte inicial.
Ejemplo de suma y resta en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

ADD destino, fuente

destino = destino + fuente

ADD R1, R2

SUB destino, fuente

destino = destino – fuente

SUB R1, R2
Ejemplo de suma y resta en la arquitectura Intel x86-64 considerando el bit de transporte inicial

Instrucción

Operación

Ejemplo

ADC destino, fuente

destino = destino + fuente + bit de transporte

ADC RAX, RBX

SBB destino, fuente

destino = destino – fuente – bit de transporte

SBB RAX, RBX
Multiplicación
Esta operación efectúa la multiplicación entera de dos números y hay que tener presente que el resultado que se genera tiene un tamaño superior al de los operandos fuente.
Habrá que disponer de dos operaciones diferentes si se quiere tratar operandos con signo o sin signo.
Ejemplo de una instrucción de multiplicación en la arquitectura Intel x86-64
Un operando fuente puede ser implícito y corresponder al registro AL (8 bits), al registro AX (16 bits), al registro EAX (32 bits) o al registro RAX (64 bits); el otro operando fuente es explícito y puede ser un operando de 8, 16, 32 o 64 bits.

  • Si el operando fuente es de 8 bits, la operación que se hace es AX = AL * fuente, que amplía el resultado a un valor de 16 bits.

  • Si el operando fuente es de 16 bits, la operación que se hace es DX,AX = AX * fuente, que amplía el resultado a un valor de 32 bits.

  • Si el operando fuente es de 32 bits, la operación que se hace es EDX,EAX = EAX * fuente, que amplía el resultado a un valor de 64 bits.

  • Si el operando fuente es de 64 bits, la operación que se hace es RDX,RAX = RAX * fuente, que amplía el resultado a un valor de 128 bits.

Instrucción

Ejemplo

Operación

MUL fuente (operación sin considerar el signo, un operando implícito)

MUL RBX

RDX,RAX = RAX * RBX

IMUL fuente (operación considerando el signo, un operando implícito)

IMUL BL

AX = AL * BL

IMUL destino, fuente (operación considerando el signo, dos operandos explícitos)

IMUL EAX, EBX

EAX = EAX * EBX
Ejemplo de una instrucción de multiplicación en la arquitectura CISCA
Los dos operandos fuente y destino son explícitos, y el resultado se almacena en el primer operando, que hace también de operando destino; todos los operandos son números en complemento a 2 de 32 bits; no se utiliza ningún operando implícito porque no se amplía el tamaño del resultado.

Instrucción

Operación

Ejemplo

MUL destino, fuente

destino = destino * fuente

MUL R1, R2
División
Esta operación hace la división entera de dos números y se obtienen dos resultados: el cociente y el residuo de la división.
Habrá que disponer de dos operaciones diferentes si se quiere tratar operandos con signo o sin signo.
Ejemplo de una instrucción de división en la arquitectura Intel x86-64
Divide el dividendo implícito entre el divisor explícito.

  • Operando fuente de 8 bits: (cociente) AL = AX / fuente, (residuo) AH = AX mod fuente

  • Operando fuente de 16 bits: (cociente) AX = DX:AX / fuente, (residuo) DX = DX:AX mod fuente

  • Operando fuente de 32 bits: (cociente) EAX = EDX:EAX / fuente, (residuo) EDX = EDX:EAX mod fuente

  • Operando fuente de 64 bits: (cociente) RAX = RDX:RAX / fuente, (residuo) RDX = RDX:RAX mod fuente

Instrucción

Ejemplo

Operación

DIV fuente (operación sin considerar el signo)

DIV RBX

RAX = RDX:RAX / RBX

RDX = RDX:RAX mod RBX

IDIV fuente (operación considerando el signo)

IDIV EBX

EAX = EDX:EAX / EBX

EDX = EDX:EAX mod EBX
Ejemplo de una instrucción de división en la arquitectura CISCA
Los dos operandos fuente y destino son explícitos y son números con signo. El cociente se almacena en el primer operando y el residuo, en el segundo. Los dos operandos hacen de operando fuente y destino.

Instrucción

Ejemplo

Operación

DIV destino, fuente

DIV (dividendo/cociente), (divisor/residuo)

DIV R1, R2

R1 = R1 / R2 (cociente)

R2 = R1 mod R2 (residuo)
Incremento y decremento
Estas operaciones son un caso especial de la suma y la resta. Se suelen incluir en la mayoría de los juegos de instrucciones, ya que son operaciones muy frecuentes: saber el valor (generalmente, 1) que se debe incrementar o decrementar facilita mucho su implementación en el procesador.
Ejemplo de instrucciones de incremento y decremento en la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

INC destino

destino = destino + 1

INC RAX

DEC destino

destino = destino – 1

DEC BL
Ejemplo de instrucciones de incremento y decremento en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

INC destino

destino = destino + 1

INC R3

DEC destino

destino = destino – 1

DEC R5
Comparación
Esta operación lleva a cabo la comparación entre dos operandos restando el segundo del primero y actualizando los bits de resultado. Es un caso especial de la resta en el que el valor de los operandos no se modifica porque no se guarda el resultado.
Ejemplo de instrucciones de comparación en la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

CMP destino, fuente

destino – fuente

CMP RAX, RBX
Ejemplo de comparación en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

CMP destino, fuente

destino – fuente

CMP R1,R2
Negación
Esta operación cambia el signo del operando. Si los datos están en complemento a 2, es equivalente a hacer una de estas operaciones: 0 – operando, NOT(operando) + 1, operando * (–1).
Ejemplo de una instrucción de negación en la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

NEG destino

destino = NOT(destino) + 1

NEG EAX
Ejemplo de una instrucción de negación en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

NEG destino

destino = NOT(destino) + 1

NEG R7
Todas las instrucciones aritméticas y de comparación pueden modificar los bits de resultado.

Instrucción

Z

S

C

V

Suma

x

x

x

x

Resta

x

x

x

x

Multiplicación

x

x

-

x

División

x

x

-

x

Incremento

x

x

x

x

Decremento

x

x

x

x

Comparación

x

x

x

x

Negación

x

x

x

x

Estos son los bits de resultado que se modifican habitualmente, pero eso puede variar ligeramente en algunos procesadores.
Nota: x indica que la instrucción puede modificar este bit. – indica que la instrucción no modifica este bit.

1.6.4.Instrucciones lógicas
Hay varias instrucciones lógicas:
1) Operaciones lógicas. Las instrucciones que hacen operaciones lógicas permiten manipular de manera individual los bits de un operando. Las operaciones lógicas más habituales son AND, OR, XOR, NOT.
Las instrucciones lógicas hacen la operación indicada bit a bit; es decir, el resultado que se produce en un bit no afecta al resto.

x

y

x AND y

x OR y

x XOR y

NOT x

0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

0
2) Operaciones de desplazamiento y rotación. Dentro de este grupo de instrucciones se incluyen instrucciones de desplazamiento lógico (SHL, SHR), desplazamiento aritmético (SAL, SAR), rotación (ROL, ROR).
Este grupo de instrucciones incluye un operando con el que se hace la operación y, opcionalmente, un segundo operando que indica cuántos bits se deben desplazar/rotar.
Ahora veremos el funcionamiento de las instrucciones lógicas de desplazamiento y rotación:
a) Desplazamiento lógico a la izquierda (SHL). Se considera el primer operando como un valor sin signo. Se desplazan los bits a la izquierda tantas posiciones como indica el segundo operando; el bit de más a la izquierda en determinadas arquitecturas se pierde y en otras se copia sobre el bit de transporte y se añaden ceros por la derecha.
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la izquierda
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la izquierda
b) Desplazamiento lógico a la derecha (SHR). Se considera el primer operando como un valor sin signo; se desplazan los bits a la derecha tantas posiciones como indica el segundo operando, el bit de la derecha en determinadas arquitecturas se pierde y en otras se copia sobre el bit de transporte y se añaden ceros por la izquierda.
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la derecha
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la derecha
c) Desplazamiento aritmético a la izquierda (SAL). Se considera el primer operando como un valor con signo expresado en complemento a 2; se desplazan los bits a la izquierda tantas posiciones como indica el segundo operando, el bit de más a la izquierda en determinadas arquitecturas se pierde y en otras se copia sobre el bit de transporte y se añaden ceros por la derecha. Consideraremos que hay desbordamiento si el signo del resultado es diferente del signo del valor que desplazamos.
Físicamente, es la misma instrucción que la instrucción de desplazamiento lógico a la izquierda.
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la izquierda
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la izquierda
d) Desplazamiento aritmético a la derecha (SAR). Se considera el primer operando como un valor con signo expresado en complemento a 2. El bit de más a la izquierda, bit de signo, se conserva y se va copiando sobre los bits que se van desplazando a la derecha. Se desplaza a la derecha tantas posiciones como indica el segundo operando y los bits de la derecha en determinadas arquitecturas se pierden y en otras se copian sobre el bit de transporte.
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la derecha
Ejemplo de desplazamiento de un bit a la derecha
e) Rotación a la izquierda (ROL). Se considera el primer operando como un valor sin signo; se desplazan los bits a la izquierda tantas posiciones como indica el segundo operando, el bit de más a la izquierda se pasa a la posición menos significativa del operando.
Ejemplo de rotación de un bit a la izquierda
Ejemplo de rotación de un bit a la izquierda
f) Rotación a la derecha (ROR). Se considera el primer operando como un valor sin signo; se desplazan los bits a la derecha tantas posiciones como indica el segundo operando, el bit de más a la derecha se pasa a la posición más significativa del operando.
Ejemplo de rotación de un bit a la derecha
Ejemplo de rotación de un bit a la derecha
Hay instrucciones de rotación que utilizan el bit de transporte:

  • Cuando se rota a la derecha, el bit menos significativo del operando se copia sobre el bit de transporte y el bit de transporte original se copia sobre el bit más significativo del operando.

  • Cuando se rota a la izquierda, el bit más significativo del operando se copia sobre el bit de transporte y el bit de transporte se copia sobre el bit menos significativo.

Las instrucciones lógicas también pueden modificar los bits de resultado del procesador.

Instrucción

Z

S

C

V

AND

x

x

0

0

OR

x

x

0

0

XOR

x

x

0

0

NOT

–

–

–

–

Desplazamientos lógicos

x

x

x

0

Desplazamientos aritméticos

x

x

x

x

Rotaciones

–

–

x

x

Nota: x indica que la instrucción puede modificar el bit de resultado. – indica que la instrucción no modifica el bit de resultado. 0 indica que la instrucción pone el bit de resultado a 0.

Ejemplo de instrucciones lógicas de desplazamiento y rotación en la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

AND destino, fuente

destino = fuente AND destino

AND AL,BL

OR destino, fuente

destino = fuente OR destino

OR RAX,RBX

SHL destino, fuente

destino = destino * 2fuente (considerando destino como un valor sin signo)

SHL AL, 4

SHR destino, fuente

destino = destino / 2fuente (considerando destino como un valor sin signo)

SHR RAX, CL

RCL destino, fuente

(CF = bit más significativo de destino, destino = destino * 2 + CForiginal) haremos eso tantas veces como indique el operando fuente.

RCL EAX, CL

RCR destino, fuente

(CF = bit menos significativo de destino, destino = destino / 2 + CForiginal)

haremos eso tantas veces como indique el operando fuente.

RCR RBX, 1
Ejemplo de instrucciones lógicas en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

XOR destino, fuente

destino = fuente XOR destino

XOR R2,R7

NOT destino

destino negado bit a bit

NOT R3

SAL destino, fuente

destino = destino * 2fuente

SAL R9, 3

SAR destino, fuente

destino = destino / 2fuente

SAR R9, 2
1.6.5.Instrucciones de ruptura de secuencia
Las instrucciones de ruptura de secuencia permiten cambiar la secuencia de ejecución de un programa. En el ciclo de ejecución de las instrucciones, el PC se actualiza de manera automática apuntando a la instrucción almacenada a continuación de la que se está ejecutando; para poder cambiarla, hay que saber cuál es la siguiente instrucción que se debe ejecutar para cargar la dirección en el PC.
Entre las instrucciones de ruptura de secuencia encontramos las siguientes:

  • Instrucciones de salto o bifurcación.

    • Instrucciones de salto incondicional.

    • Instrucciones de salto condicional.

  • Instrucciones de llamada y retorno de subrutina.

  • Instrucciones de interrupción de software y retorno de una rutina de servicio de interrupción.

Instrucciones de salto incondicional
Las instrucciones de salto incondicional cargan en el registro del PC la dirección especificada por el operando, que se expresa como una etiqueta que representa la dirección de la instrucción que se debe ejecutar.
Si se codifica el operando como una dirección, actualizaremos el registro PC con esta dirección. Si se codifica el operando como un desplazamiento, deberemos sumar al PC este desplazamiento y, como veremos más adelante, esta manera de obtener la dirección de salto se denomina direccionamiento relativo a PC.
Ejemplo de instrucciones de ruptura de secuencia en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

JMP etiqueta

[PC] ← etiqueta

Salta a la instrucción indicada por la etiqueta

JMP bucle

 
bucle: MOV R0, R1 ; Esto es un bucle infinito
          JMP bucle
          MOV R2, 0 ; No se ejecuta nunca
bucle es el nombre de la etiqueta que hace referencia a la dirección de memoria donde se almacena la instrucción MOV R0, R1.
Instrucciones de salto condicional
Las instrucciones de salto condicional cargan en el registro PC la dirección especificada por el operando si se cumple una condición determinada (la condición es cierta); en caso contrario (la condición es falsa), el proceso continúa con la instrucción siguiente de la secuencia. Este operando se expresa como una etiqueta que representa la dirección de la instrucción que se debe ejecutar, pero habitualmente se codifica como un desplazamiento respecto al registro PC. Esta manera de expresar una dirección de memoria, como veremos más adelante, se denomina direccionamiento relativo a PC.
Las condiciones se evalúan comprobando el valor actual de los bits de resultado; los más habituales son cero, signo, transporte y desbordamiento. Una condición puede evaluar un bit de resultado o más.
Las instrucciones de salto condicional se han de utilizar inmediatamente después de una instrucción que modifique los bits de resultado, como las aritméticas o lógicas; en caso contrario, se evaluarán los bits de resultado de la última instrucción que los haya modificado, situación nada recomendable.
La tabla siguiente muestra los bits de resultado que hay que comprobar para evaluar una condición determinada después de una instrucción de comparación (CMP). Estos bits de resultado se activan según los valores de los operandos comparados.

Condición

Bits que comprueba con operandos sin signo

Bits que comprueba con operandos con signo

A = B

Z = 1

Z = 1

A ≠ B

Z = 0

Z = 0

A > B

C = 0 y Z = 0

Z = 0 y S = V

A ≥ B

C = 0

S = V

A < B

C = 1

S ≠ V

A ≤ B

C = 1 o Z = 1

Z = 1 o S ≠ V
Ejemplo de instrucciones de salto condicional comunes a la arquitectura Intel x86-64 y CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

JE etiqueta

(Jump Equal – Salta si igual)

Salta si Z = 1

JE eti3

JNE etiqueta

(Jump Not Equal – Salta si diferente)

Salta si Z = 0

JNE eti3

JG etiqueta

(Jump Greater – Salta si mayor)

Salta si Z = 0 y S = V

(operandos con signo)

JG eti3

JGE etiqueta

(Jump Greater or Equal – Salta si mayor o igual)

Salta si S = V

(operandos con signo)

JGE eti3

JL etiqueta

(Jump Less – Salta si más pequeño)

Salta si S≠ V

(operandos con signo)

JL eti3

JLE etiqueta

(Jump Less or Equal – Salta si más pequeño o igual)

Salta si Z = 1 o S ≠ V

(operandos con signo)

JLE eti3

 
      MOV R2, 0
eti3: INC R2 ; Esto es un bucle de 3 iteraciones
      CMP R2, 3
      JL eti3
   MOV R2, 7
Si consideramos que la instrucción INC R2 está en la posición de memoria 0000 1000h, la etiqueta eti3 hará referencia a esta dirección de memoria, pero cuando codificamos la instrucción JL eti3, no codificaremos esta dirección, sino que codificaremos el desplazamiento respecto al PC. El desplazamiento que hemos de codificar es eti3 – PC.
Ejemplo de instrucciones de salto condicional específicas de la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

JA etiqueta

(Jump Above – Salta si superior)

Salta si C = 0 y Z = 0

(operandos sin signo)

JA bucle

JAE etiqueta

(Jump Above or Equal – Salta si superior o igual)

Salta si C = 0

(operandos sin signo)

JAE bucle

JB etiqueta

(Jump Below – Salta si inferior)

Salta si C = 1

(operandos sin signo)

JB bucle

JBE etiqueta

(Jump Below or Equal – Salta si inferior o igual)

Salta si C = 1 o Z = 1

(operandos sin signo)

JBE bucle

JV etiqueta

Salta si V = 1

JV bucle
Instrucciones de salto implícito
Hay un tipo de instrucciones de salto denominadas skip o de salto implícito que según una condición saltan una instrucción. Si no se cumple la condición, ejecutan la instrucción siguiente y si se cumple la condición, no ejecutan la instrucción siguiente, se la saltan, y ejecutan la instrucción que hay a continuación. En algunos casos también tienen una operación asociada (como incrementar o decrementar un registro). Estas instrucciones las suelen tener computadores muy simples o microcontroladores con un juego de instrucciones reducido y con instrucciones de tamaño fijo.
Por ejemplo, tenemos la instrucción DSZ Registro que decrementa Registro y salta si es cero. 
iteracion:
        ...
        DSZ R1
        JMP iteración
continuar:
        ...
Si R1 = 1 (al decrementar valdrá 0), irá a la etiqueta continuar:, si no, ejecuta el JMP (salto incondicional) y salta a la etiqueta iteracion:.
Instrucciones de llamada y retorno de subrutina
Una subrutina es un conjunto de instrucciones que hace una función concreta y al que normalmente se llama varias veces dentro del programa principal.
Tanto las instrucciones de salto como las de llamada y retorno a subrutina permiten romper la secuencia de ejecución de un programa, pero las últimas garantizan la vuelta al punto donde se ha roto la secuencia una vez ha finalizado la ejecución.
75573_m2_007.gif
La llamada a subrutina es una instrucción que transfiere el control a la subrutina de manera que se pueda garantizar el retorno al punto donde se encontraba la secuencia de ejecución al llamarla.
La instrucción tiene un único operando que especifica la dirección de inicio de la subrutina. Este operando se expresa como una etiqueta que representa la dirección de la primera instrucción de la subrutina que se debe ejecutar.
Las llamadas a subrutinas llevan a cabo dos operaciones:
1) Guardar el valor del PC en una localización conocida para que cuando finalice la ejecución de la subrutina pueda retornar al punto de ejecución donde se encontraba y continuar la secuencia de ejecución. Las localizaciones donde se puede almacenar el PC (dirección de retorno de la subrutina) son un registro, al principio de la subrutina o a la pila. En la mayoría de los computadores se utiliza la pila para almacenar la dirección de retorno.
2) Cargar en el PC la dirección expresada por el operando de la instrucción para transferir el control a la subrutina.
El retorno de subrutina es una instrucción que se utiliza para devolver el control al punto de ejecución desde donde se ha hecho la llamada. Para hacerlo, recupera el valor del PC del lugar donde lo haya almacenado la instrucción de llamada a subrutina. Tiene que ser la última instrucción de una subrutina y no tiene ningún operando explícito.
Es necesario que el programador se asegure de que, antes de ejecutar el retorno de subrutina, en la cima de la pila esté la dirección de retorno. Por ello es muy importante hacer una buena gestión de la pila dentro de las subrutinas.
Ejemplo de instrucciones de llamada y retorno de subrutina comunes a la arquitectura Intel x86-64 y CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

CALL etiqueta

Transfiere el control a la subrutina.

CALL subrutina

RET

Retorna de la subrutina

RET
Ejemplo de llamada y un retorno de subrutina en la arquitectura CISCA
En esta arquitectura, la pila se implementa a memoria y crece hacia direcciones bajas, por lo tanto, en la instrucción CALL se decrementa SP (R15 en esta arquitectura) y en la instrucción RET se incrementa. El incremento y el decremento que habrá que hacer del registro SP es de 4 unidades, ya que cada posición de la pila almacena 1 byte y la dirección ocupa 4.

CALL 'nom_subrutina'

RET

SP = SP – 4

PC = M(SP)

M(SP) = PC

SP = SP + 4

PC = Dirección inicio 'nombre-subrutina'

Instrucciones de interrupción de software y retorno de una rutina de servicio de interrupción
La interrupción de software es un tipo de instrucción que implementa una interrupción llamando a una rutina de servicio de interrupción (RSI). Estos servicios generalmente son rutinas del sistema operativo para facilitar al programador las operaciones de E/S y de acceso a diferentes elementos del hardware.
Este tipo de instrucción tiene un solo operando que especifica un valor inmediato que identifica el servicio solicitado; en los sistemas con las interrupciones vectorizadas, este valor especifica un índice dentro de la tabla de vectores de interrupción gestionada por el sistema operativo.
La ejecución de una instrucción de software lleva a cabo dos operaciones:
1) Guardar el valor del registro de estado y del PC en la pila del sistema para que cuando finalice la ejecución de la RSI pueda retornar al punto de ejecución donde se encontraba y continuar la secuencia de ejecución.
2) Cargar en el PC la dirección donde se encuentra el código de la RSI. Si es un sistema con las interrupciones vectorizadas, la dirección la obtendremos de la tabla de vectores de interrupción.
Ejemplo de instrucción de interrupción de software en la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

INT servicio

Llamada al sistema

INT 80 h
Ejemplo de instrucción de interrupción de software en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

INT servicio

Llamada al sistema

INT 1 h
Respecto al retorno de una rutina de servicio de interrupción, se debe tener en cuenta que antes de finalizar la ejecución de una rutina de servicio de interrupción (RSI), hemos de restaurar el estado del procesador para devolver el control al programa que se estaba ejecutando, por ello hay que recuperar los registros de estado y el PC guardados en la pila del sistema y poder reanudar la ejecución del programa que habíamos detenido.
Ejemplo de instrucciones de llamada y retorno de subrutina comunes a la arquitectura Intel x86-64 y CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

IRET

Retorno de una rutina de servicio de interrupción

IRET
1.6.6.Instrucciones de entrada/salida
Las instrucciones de entrada/salida permiten leer y escribir en un puerto de E/S. Los puertos de E/S se utilizan para acceder a un registro del módulo de E/S que controla un dispositivo o más, para consultar su estado o programarlo.
Según la arquitectura del computador, podemos tener un mapa común de memoria y E/S o un mapa independiente de E/S:

  • Mapa común de memoria y E/S: se utilizan las mismas instrucciones de transferencia de datos explicados anteriormente.

  • Mapa independiente de E/S: las instrucciones utilizadas para acceder a los puertos de E/S son diferentes de las de transferencia de datos. Las más habituales son:

    • IN. Permite leer de un puerto de E/S. Utiliza dos operandos: un número de puerto y una localización para almacenar el valor leído (normalmente un registro).

    • OUT. Permite escribir en un puerto de E/S. Utiliza dos operandos: un número de puerto y la localización del valor que se debe escribir en el puerto, habitualmente este valor se encuentra en un registro.

Ejemplo de instrucciones de entrada/salida en la arquitectura Intel x86-64

Instrucción

Operación

Ejemplo

IN destino, fuente

destino ← puerto de E/S indicado por el operando fuente

IN AX, 20h

OUT destino, fuente

puerto de E/S indicado por el operando destino ← fuente

OUT 20h, EAX
Ejemplo de instrucciones de entrada/salida en la arquitectura CISCA

Instrucción

Operación

Ejemplo

IN destino, fuente

destino ← puerto de E/S indicado por el operando fuente

IN R5, 01h

OUT destino, fuente

puerto de E/S indicado por el operando destino ← fuente

OUT 02h, R8
1.6.7.Otros tipos de instrucciones
En un juego de instrucciones suele haber otros tipos de instrucciones de carácter más específico; algunas pueden estar restringidas al sistema operativo para ser ejecutado en modo privilegiado.
Las instrucciones de control del sistema, normalmente, son instrucciones privilegiadas que en algunas máquinas se pueden ejecutar solo cuando el procesador se encuentra en estado privilegiado, como por ejemplo HALT (detiene la ejecución del programa), WAIT (espera por algún acontecimiento para sincronizar el procesador con otras unidades) y otras para gestionar el sistema de memoria virtual o acceder a registros de control no visibles al programador.
Instrucciones específicas para trabajar con números en punto flotante (juego de instrucciones de la FPU) o para cuestiones multimedia, muchas de tipo SIMD (single instruction multiple data).
U otras, como, por ejemplo, la instrucción NOP (no operación), que no hace nada. Aunque el abanico puede ser muy amplio.

1.7.Diseño del juego de instrucciones

El juego de instrucciones de una arquitectura es la herramienta que tiene el programador para controlar el computador; por lo tanto, debería facilitar y simplificar la tarea del programador. Por otra parte, las características del juego de instrucciones condicionan el funcionamiento del procesador y, por ende, tienen un efecto significativo en el diseño del procesador. Así, nos encontramos con el problema de que muchas de las características que facilitan la tarea al programador dificultan el diseño del procesador; por este motivo, es necesario llegar a un compromiso entre facilitar el diseño del computador y satisfacer las necesidades del programador. Una manera de alcanzar este compromiso es diseñar un juego de instrucciones siguiendo un criterio de ortogonalidad.
La ortogonalidad consiste en que todas las instrucciones permitan utilizar como operando cualquiera de los tipos de datos existentes y cualquiera de los modos de direccionamiento, y en el hecho de que la información del código de operación se limite a la operación que debe hacer la instrucción.
Si el juego de instrucciones es ortogonal, será regular y no presentará casos especiales, lo que facilitará la tarea del programador y la construcción de compiladores.
Los aspectos más importantes que hay que tener en cuenta para diseñar un juego de instrucciones son los siguientes:

  • Conjunto de operaciones: identificación de las operaciones que hay que llevar a cabo y su complejidad.

  • Tipos de datos: identificación de los tipos de datos necesarios para llevar a cabo las operaciones.

  • Registros: identificación del número de registros del procesador.

  • Direccionamiento: identificación de los modos de direccionamiento que se pueden utilizar en los operandos.

  • Formato de las instrucciones: longitud y número de operandos, y tamaño de los diferentes campos.

2.Modos de direccionamiento

Los operandos de una instrucción pueden expresar directamente un dato, la dirección, o la referencia a la dirección, donde tenemos el dato. Esta dirección puede ser la de un registro o la de una posición de memoria, y en este último caso la denominaremos dirección efectiva.
Entendemos por modo de direccionamiento las diferentes maneras de expresar un operando en una instrucción y el procedimiento asociado que permite obtener la dirección donde está almacenado el dato y, como consecuencia, el dato.
Los juegos de instrucciones ofrecen maneras diferentes de expresar los operandos por medio de sus modos de direccionamiento, que serán un compromiso entre diferentes factores:

  • El rango de las direcciones que hemos de alcanzar para poder acceder a todo el espacio de memoria dirigible con respecto a programación.

  • Con respecto al espacio para expresar el operando, se intentará reducir el número de bits que hay que utilizar para codificar el operando y, en general, las diferentes partes de la instrucción para poder construir programas que ocupen menos memoria.

  • Las estructuras de datos en las que se pretenda facilitar el acceso o la manera de operar, como listas, vectores, tablas, matrices o colas.

  • La complejidad de cálculo de la dirección efectiva que expresa el operando para agilizar la ejecución de las instrucciones.

En este apartado analizaremos los modos de direccionamiento más comunes, que se recogen en el esquema siguiente:

  • Direccionamiento inmediato

  • Direccionamiento directo:

    • Direccionamiento directo a registro

    • Direccionamiento directo a memoria

  • Direccionamiento indirecto:

    • Direccionamiento indirecto a registro

    • Direccionamiento indirecto a memoria

  • Direccionamiento relativo:

    • Direccionamiento relativo a registro base o relativo

    • Direccionamiento relativo a registro índice (RI) o indexado

    • Direccionamiento relativo a PC

  • Direccionamiento implícito

    • Direccionamiento a pila (indirecto a registro SP)

Hay que tener presente que cada operando de la instrucción puede tener su propio modo de direccionamiento, y no todos los modos de direccionamiento de los que dispone un juego de instrucciones se pueden utilizar en todos los operandos ni en todas las instrucciones.
Existe una cuestión, a pesar de ser transparente al programador, que hay que conocer y tener presente porque indirectamente sí que le puede afectar a la hora de acceder a la memoria. Se trata de la ordenación de los bytes de un dato cuando este tiene un tamaño superior al tamaño de la palabra de memoria.
En la mayoría de los computadores la memoria se dirige en bytes, es decir, el tamaño de la palabra de memoria es de un byte. Cuando trabajamos con un dato formado por varios bytes habrá que decidir cómo se almacena el dato dentro de la memoria, es decir, qué byte del dato se almacena en cada posición de la memoria.
Se pueden utilizar dos sistemas diferentes:

  • little-endian: almacenar el byte de menos peso del dato en la dirección de memoria más baja.

  • big-endian: almacenar el byte de más peso del dato en la dirección de memoria más baja.

Una vez elegido uno de estos sistemas, habrá que tenerlo presente y utilizarlo en todos los accesos a memoria (lecturas y escrituras) para asegurar la coherencia de los datos.
Ejemplo
Supongamos que queremos almacenar el valor hexadecimal siguiente: 12345678h. Se trata de un valor de 32 bits, formado por los 4 bytes 12h 34h 56h y 78h. Supongamos también que se quiere almacenar en la memoria a partir de la dirección 200h. Como cada posición de la memoria permite almacenar un solo byte, necesitaremos 4 posiciones de memoria, correspondientes a las direcciones 200h, 201h, 202h y 203h.

Little-endian

Big-endian

Dirección

Contenido

Dirección

Contenido

200h

78h

200h

12h

201h

56h

201h

34h

202h

34h

202h

56h

203h

12h

203h

78h

2.1.Direccionamiento inmediato

En el direccionamiento inmediato, el operando expresa el valor del dato que se quiere utilizar; es decir, el dato está dentro de la instrucción y su valor es fijo.
Este modo de direccionamiento se suele utilizar en operaciones aritméticas o lógicas, transferencias en las que se quiere inicializar registros y, de manera general, para definir y utilizar constantes.
El valor del dato se representa, normalmente, en complemento a 2 y cuando se transfiere a un registro o a una posición de memoria se hace la extensión de signo replicando el bit de signo a la izquierda hasta llenar el operando destino.
Ejemplo
Tenemos un operando inmediato de 12 bits en complemento a 2 y queremos transferir el número –5110 a un registro de 16 bits.
75573_m2_008.gif
La ventaja principal de este modo de direccionamiento es que no es necesario ningún acceso adicional a memoria para obtener el dato, lo que agiliza la ejecución de la instrucción.
Las desventajas principales son que el valor del dato es constante y el rango de valores que se pueden representar está limitado por el tamaño de este operando, que no suele ser demasiado grande [–2(n – 1), 2(n – 1) – 1] si se representa en complemento a 2, donde n es el número de bits del operando.
Instrucciones de salto incondicional
En las instrucciones de salto incondicional, como veremos más adelante, el operando puede expresar la dirección donde se quiere saltar; en este caso, esta dirección es el dato, ya que la función de esta instrucción es cargar este valor en el PC y no hay que hacer ningún acceso a la memoria para obtenerlo. Por este motivo, se considera un modo de direccionamiento inmediato, aunque el operando exprese una dirección, como en el direccionamiento directo a memoria.

2.2.Direccionamiento directo

En el direccionamiento directo el operando indica dónde se encuentra el dato que se quiere utilizar. Si hace referencia a un registro de la máquina, el dato estará almacenado en este registro y hablaremos de direccionamiento directo a registro; si hace referencia a una posición de memoria, el dato estará almacenado en esta dirección de memoria (dirección efectiva) y hablaremos de direccionamiento directo a memoria.
Ejemplo de direccionamiento a registro y a memoria en la arquitectura CISCA
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Con la ejecución de esta instrucción queremos transferir el contenido de la dirección de memoria 0AB00100h al registro R2; el operando fuente hace referencia a la dirección 0AB00100h, donde se tiene que leer el dato 01234567h. Antes de la ejecución de la instrucción, el registro R2 contiene el valor 00000024h y después, el valor 01234567h, que es el dato que teníamos en la dirección de memoria 0AB00100h. En el operando destino tendremos un direccionamiento directo a registro, y en el operando fuente, un direccionamiento directo a memoria.
Estos modos de direccionamiento tienen una forma muy simple y no hay que hacer cálculos para obtener la dirección efectiva donde está el dato.
El tamaño del operando, en el caso del direccionamiento directo a registro, dependerá del número de registros que tenga la máquina, que suele ser relativamente reducido y, por lo tanto, se necesitan pocos bits; en el caso del direccionamiento directo a memoria, dependerá del tamaño de la memoria. En las máquinas actuales, el operando deberá ser muy grande para poder dirigir toda la memoria, lo que representa uno de los inconvenientes principales de este modo de direccionamiento.
Ejemplo
En una máquina con 32 registros y 4 Mbytes de memoria (4 · 220 bytes) necesitaremos 5 bits para codificar los 32 registros (32 = 25) y 22 bits para codificar 4 · 220 direcciones de memoria de 1 byte (4 M = 222) y se expresarán en binario puro, sin consideraciones de signo.
Las ventajas principales del direccionamiento directo a registro es que el tamaño del operando es muy pequeño y el acceso a los registros es muy rápido, por lo que es uno de los modos de direccionamiento más utilizado.

2.3.Direccionamiento indirecto

En el direccionamiento indirecto, el operando indica dónde está almacenada la dirección de memoria (dirección efectiva) que contiene el dato que queremos utilizar. Si hace referencia a un registro de la máquina, la dirección de memoria (dirección efectiva) que contiene el dato estará en este registro y hablaremos de direccionamiento indirecto a registro; si hace referencia a una posición de memoria, la dirección de memoria (dirección efectiva) que contiene el dato estará almacenada en esta posición de memoria y hablaremos de direccionamiento indirecto a memoria.
Ya hemos comentado que uno de los problemas del direccionamiento directo a memoria es que se necesitan direcciones muy grandes para poder acceder a toda la memoria; con el modo de direccionamiento indirecto esto no sucede: se puede guardar toda la dirección en un registro o en la memoria utilizando las posiciones que sean necesarias.
Si se guardan en registros, puede suceder que no todos los registros del procesador se puedan utilizar para almacenar estas direcciones, pero en este caso siempre habrá algunos especializados para poder hacerlo, ya que son imprescindibles para que el procesador funcione.
Generalmente, las direcciones que se expresan en el modo de direccionamiento indirecto a memoria son de tamaño inferior a las direcciones reales de memoria; por este motivo, solo se podrá acceder a un bloque de la memoria, que habitualmente se reserva como tabla de punteros en las estructuras de datos que utiliza el programa.
Este convenio será el mismo para cada máquina y siempre con el mismo valor o la misma operación; por este motivo solo se puede acceder a un bloque de la memoria direccionable del programa.
Ejemplo de direccionamiento indirecto a registro en la arquitectura CISCA
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Con la ejecución de esta instrucción se quiere transferir el contenido del registro R12 a la dirección de memoria 0AB00100h. El operando destino hace referencia al registro R1, que contiene la dirección 0AB00100h, donde se tiene que guardar el dato; el operando fuente hace referencia al registro R12, donde se tiene que leer el dato 01234567h. En el operando destino tendremos un direccionamiento indirecto a registro y en el operando fuente, un direccionamiento directo a registro.
Ejemplo de direccionamiento indirecto a memoria utilizando el formato de la arquitectura CISCA
Tened presente que esta instrucción sigue el formato de la arquitectura CISCA, pero no forma parte de su juego de instrucciones porque el modo de direccionamiento indirecto a memoria no se ha definido.
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Con la ejecución de esta instrucción se quiere transferir el contenido del registro R12 a la dirección de memoria 0AB00200h. El operando destino hace referencia a la dirección 0AB00100h. En esta dirección está almacenada la dirección 0AB00200h, que es donde se debe guardar el dato, el operando fuente hace referencia al registro R12, donde se tiene que leer el dato 01234567h. En el operando destino tendremos un direccionamiento indirecto a memoria y en el operando fuente, un direccionamiento directo a registro.
La desventaja principal de este modo de direccionamiento es que necesita un acceso más a memoria que el directo. Es decir, un acceso a memoria para el direccionamiento indirecto a registro y dos accesos a memoria para el direccionamiento indirecto a memoria; por este motivo este segundo modo de direccionamiento no se implementa en la mayoría de las máquinas.

2.4.Direccionamiento relativo

En el direccionamiento relativo, el operando expresará dos valores, una dirección de memoria y un desplazamiento respecto a esta dirección (salvo los casos en los que uno de los dos sea implícito). La dirección de memoria (dirección efectiva) donde tendremos el dato la obtendremos sumando el desplazamiento a la dirección de memoria. Las variantes más utilizadas de este modo de direccionamiento son direccionamiento relativo a registro base, direccionamiento relativo a registro índice y direccionamiento relativo a PC.
Estos modos de direccionamiento son muy potentes, no requieren accesos extras a la memoria, como sucede con el indirecto, pero hay que hacer una suma, que no retrasa casi la ejecución de la instrucción, especialmente en las máquinas que tienen una unidad específica para el cálculo de estas direcciones.
Desde el punto de vista del programador, estos modos de direccionamiento son muy útiles para acceder a estructuras de datos como vectores, matrices o listas, ya que se aprovecha la localidad de los datos, dado que la mayoría de las referencias en la memoria son muy próximas entre sí.
Estos modos de direccionamiento también son la base para hacer que los códigos sean reentrantes y reubicables, ya que permiten cambiar las referencias a las direcciones de memoria cambiando simplemente el valor de un registro, para acceder tanto a los datos como al código mediante las direcciones de las instrucciones de salto o llamadas a subrutinas; también son útiles en algunas técnicas para proteger espacios de memoria y para implementar la segmentación. Estos usos se aprovechan en la compilación y en la gestión que hace el sistema operativo de los programas en ejecución y, por lo tanto, son transparentes al programador.
2.4.1.Direccionamiento relativo a registro base
En el direccionamiento relativo a registro base, la dirección de memoria se almacena en el registro que denominaremos registro base (RB) y el desplazamiento se encuentra explícitamente en la instrucción. Es más compacto que el modo de direccionamiento absoluto a memoria, ya que el número de bits utilizados para el desplazamiento es inferior al número de bits de una dirección de memoria.
En algunas instrucciones el registro base se utiliza de manera implícita y, por lo tanto, solo habrá que especificar explícitamente el desplazamiento.
Este modo de direccionamiento se utiliza a menudo para implementar la segmentación. Algunas máquinas tienen registros específicos para eso y se utilizan de manera implícita, mientras que en otras máquinas se pueden elegir los registros que se quieren utilizar como base del segmento, pero, entonces, hay que especificarlo explícitamente en la instrucción.
Segmentación de los Intel x86-64
En el caso del Intel x86-64, se implementa la segmentación utilizando registros de segmento específicos (CS:codigo, DS:datos, SS:pila y ES, FS, GS:extra), pero también se tiene la flexibilidad de poder reasignar algunos, tanto si es de manera explícita en las instrucciones o mediante directivas de compilación como la ASSUME.
2.4.2.Direccionamiento relativo a registro índice
En el direccionamiento relativo a registro índice, la dirección de memoria se encuentra explícitamente en la instrucción y el desplazamiento se almacena en el registro que denominaremos registro índice (RI). Justo al contrario que en el direccionamiento relativo a registro base.
Este modo de direccionamiento se utiliza a menudo para acceder a estructuras de datos como vectores, matrices o listas, por lo que es muy habitual que después de cada acceso se incremente o decremente el registro índice un valor constante (que depende del tamaño y el número de posiciones de memoria de los datos a los que se accede). Por este motivo, algunas máquinas hacen esta operación de manera automática y proporcionan diferentes alternativas que denominaremos direccionamientos relativos autoindexados. Si la autoindexación se lleva a cabo sobre registros de carácter general, puede requerir un bit extra para indicarlo en la codificación de la instrucción.
Es muy habitual permitir tanto el autoincremento como el autodecremento, operación que se puede realizar antes de obtener la dirección efectiva o después. Por lo tanto, habrá cuatro alternativas de implementación, aunque un mismo juego de instrucciones no las tendrá simultáneamente:
1) Preautoincremento: RI se incrementa antes de obtener la dirección.
2) Preautodecremento: RI se decrementa antes de obtener la dirección.
3) Postautoincremento: RI se incrementa después de obtener la dirección.
4) Postautodecremento: RI se decrementa después de obtener la dirección.
Ejemplo de direccionamiento relativo a registro base en la arquitectura CISCA
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Con la ejecución de esta instrucción se quiere transferir el contenido del registro R12 a la dirección de memoria 0AB00100h. El operando destino hace referencia al registro R2, que hace de registro base y contiene la dirección 0AB00000h, y al desplazamiento 0100h, que, sumado a la dirección que hay en R2, da la dirección de memoria donde se debe guardar el dato (posición 0AB00100h); el operando fuente hace referencia al registro R12, donde se tiene que leer el dato 01234567h. En el operando destino tendremos un direccionamiento relativo a registro base y en el operando fuente, un direccionamiento directo a registro.
Ejemplo de direccionamiento relativo a registro índice en la arquitectura CISCA
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian
Con la ejecución de esta instrucción se quiere transferir el contenido del registro R12 a la dirección de memoria 0AB00200h. El operando destino hace referencia a la dirección 0AB00000h y al registro R1, que hace de registro índice y contiene el desplazamiento 00000200h, que, sumados, dan la dirección de memoria donde se debe guardar el dato (posición 0AB00200h); el operando fuente hace referencia al registro R12, donde se debe leer el dato 01234567h. En el operando destino tendremos un direccionamiento relativo a registro índice y en el operando fuente, un direccionamiento directo a registro.
Muchas máquinas habitualmente implementan variantes de estos modos de direccionamiento, combinando el direccionamiento relativo a registro base y el direccionamiento relativo a registro índice. Utilizan dos registros o más y el desplazamiento, lo que evita poner la dirección de memoria. Tienen tanta o más potencia de acceso y se puede reducir bastante el tamaño de la instrucción, ya que solo hay que identificar registros o registros y un desplazamiento.
2.4.3.Direccionamiento relativo a PC
El direccionamiento relativo a PC es equivalente al relativo a registro base, con la diferencia de que utiliza el registro contador de programa (PC) de manera implícita en la instrucción y solo hay que expresar, mediante una etiqueta, el desplazamiento para calcular la dirección de memoria (dirección efectiva) a la que se quiere acceder.
Otra característica que diferencia el modo de direccionamiento relativo a PC es la manera de expresar el desplazamiento: como puede ser un valor tanto positivo como negativo, se suele representar en complemento a 2.
El direccionamiento relativo a PC se utiliza a menudo en las instrucciones de ruptura de secuencia, generalmente en los saltos condicionales, que suelen ser cortos y, en consecuencia, el tamaño del campo no tendrá que ser muy grande.
Ejemplo de direccionamiento relativo a registro PC en la arquitectura CISCA
Tenemos el fragmento de código siguiente:

Memoria

Dirección

Etiqueta

Instrucción

0001 1000h

MOV R0,0

0001 1007h

bucle:

ADD R0,1

0001 100Eh

CMP R0,8

0001 1015h

JE bucle

0001 1019h

MOV R0,–1
En este código, cada instrucción ocupa 7 bytes, salvo la instrucción JE bucle, que ocupa 4 bytes. La etiqueta bucle hace referencia a la dirección de memoria 00001007h. La instrucción JE bucle (salta si el bit de cero está activo) utiliza direccionamiento relativo a PC y, por lo tanto, no codifica la dirección de memoria a la que se quiere saltar, sino el desplazamiento respecto al PC actualizado utilizando 16 bits (desplazamiento = etiqueta-PCupdated).
En el ciclo de ejecución de la instrucción, la actualización del PC se realiza en las primeras fases de este ciclo, por lo tanto, al final de la ejecución de la instrucción (que es cuando sabremos si hemos de saltar) el PC no apuntará a la instrucción de salto (JE bucle; PC=00011015h), sino a la instrucción siguiente (MOV R0,–1; PCupdated = 00011019h); es decir, deberemos saltar tres instrucciones atrás y, como la instrucción JE bucle ocupa 4 bytes y el resto, 7 bytes cada una, el desplazamiento será de –18; para obtener este valor restaremos de la dirección de la etiqueta bucle el valor de PCupdated (00011007h – 000110119h = FFEEh(–18 en Ca2)). Este valor, FFEEh, es el que se codificará como desplazamiento en la instrucción de salto condicional.
Entonces, cuando se ejecuta una instrucción de salto condicional, si se cumple la condición se actualiza el PC sumándole el desplazamiento que tenemos codificado. En nuestro caso, después de ejecutar la instrucción de salto condicional JE bucle si el bit de cero C está activo, saltamos y PC valdrá 00011007h y si el bit de cero C no está activo, saltamos y PC valdrá 00011019h.
El compilador lleva a cabo la conversión de las etiquetas utilizadas en un programa a un desplazamiento de manera transparente al programador porque el modo de direccionamiento está implícito en las instrucciones de salto.
Es muy importante para el programador saber qué modo de direccionamiento utiliza cada instrucción de ruptura de secuencia porque el desplazamiento que se puede especificar en el direccionamiento relativo a PC no es muy grande y puede suceder que no permita llegar a la dirección deseada; entonces habrá que modificar el programa para poder utilizar otra instrucción de ruptura de secuencia con un direccionamiento que permita llegar a todo el espacio dirigible.
Ejemplo
En el ejemplo anterior se utilizan 16 bits para el desplazamiento, por lo tanto, se pueden saltar 32.767 posiciones adelante y 32.768 posiciones atrás. Así pues, el rango de direcciones al que se puede acceder desde la dirección apuntada por el PCupdated (00011019h) es desde la dirección 00009019h a la dirección 00019018h; si se quiere saltar fuera de este espacio, no se puede utilizar esta instrucción porque utiliza direccionamiento relativo a PC.

2.5.Direccionamiento implícito

En el direccionamiento implícito, la instrucción no contiene información sobre la localización del operando porque este se encuentra en un lugar predeterminado, y queda especificado de manera implícita en el código de operación.
2.5.1.Direccionamiento a pila
El direccionamiento a la pila es un modo de direccionamiento implícito; es decir, no hay que hacer una referencia explícita a la pila, sino que trabaja implícitamente con la cima de la pila por medio de registros de la máquina; habitualmente uno de estos registros se conoce como stack pointer (SP) y se utiliza para apuntar a la cima de la pila.
Pila
Una pila es una lista de elementos con el acceso restringido, de manera que solo se puede acceder a los elementos de un extremo de la lista. Este extremo se denomina cima de la pila. El último elemento que entra a la pila es el primero que sale (LIFO). A medida que se van añadiendo elementos, la pila crece y según la implementación lo hará hacia direcciones más pequeñas (método más habitual) o hacia direcciones mayores.
Como es un modo de direccionamiento implícito, solo se utiliza en instrucciones determinadas, las más habituales de las cuales son PUSH (poner un elemento en la pila) y POP (sacar un elemento de la pila).
Este modo de direccionamiento se podría entender como un direccionamiento indirecto a registro añadiendo la funcionalidad de autoindexado que ya hemos comentado. Es decir, se accede a una posición de memoria identificada por un registro, el registro SP, que se actualiza, antes o después del acceso a memoria, para que apunte a la nueva cima de la pila.
Ejemplo
Supongamos que cada elemento de la pila es una palabra de 2 bytes, la memoria se dirige a nivel de byte y SP apunta al elemento que está en la cima de la pila.
Para poner un elemento en la pila (PUSH X) habrá que hacer lo siguiente:

Crece hacia direcciones más pequeñas

(preautodecremento)

Crece hacia direcciones mayores

(preautoincremento)

SP = SP – 2

M[ SP] = X

SP = SP + 2

M[ SP] = X

Crece hacia direcciones más pequeñas

(postautoincremento)

Crece hacia direcciones mayores

(postautodecremento)

X = M[ SP]

SP = SP + 2

X = M[ SP]

SP = SP – 2
Para sacar un elemento de la pila (POP X) habrá que hacer lo siguiente:
Ejemplo de direccionamiento a pila en la arquitectura CISCA
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian. La pila crece hacia direcciones pequeñas
Operandos de 32 bits en complemento a 2 y utilizando formato little-endian. La pila crece hacia direcciones pequeñas
Con la ejecución de esta instrucción se quiere transferir el contenido del registro R2 a la cima de la pila. El operando fuente hace referencia al registro R2, donde se ha de leer el dato 01234567h, que queremos poner en la pila. Para guardar este dato en la pila, primero se decrementa en 4 el registro SP (en CISCA, el registro R15), porque los datos son de 32 bits. El registro SP inicialmente vale 00000000h, 00000000h – 4 = FFFFFFFCh (–4 en Ca2). Después, de la misma manera que en un direccionamiento indirecto a registro, utilizaremos esta dirección que tenemos en el registro SP para almacenar el valor que tenemos en R2 en la memoria, y SP quedará apuntando a la cima de la pila. Si SP vale 0, querrá decir que la pila está vacía.

Resumen

Hemos empezado hablando de las características principales de los juegos de instrucciones, de los cuales hemos destacado diferentes puntos.
Hemos visto que el ciclo de ejecución de la instrucción se divide en cuatro fases:
Fase 1: Lectura de la instrucción
Fase 2: Lectura de los operandos fuente
Fase 3: Ejecución de la instrucción y almacenamiento del operando destino
Fase 4: Comprobación de interrupciones
El tipo de arquitectura del juego de instrucciones depende de la localización de los operandos y a partir de aquí hemos definido cinco tipos de arquitecturas: pila, acumulador, registro-registro, registro-memoria, memoria-memoria.
La representación del juego de instrucciones se efectúa desde dos puntos de vista:

  • El punto de vista del programador, que denominamos lenguaje de ensamblador.

  • El punto de vista del computador, que denominamos lenguaje de máquina.

Con respecto al formato de las instrucciones, hemos visto lo siguiente:

  • Los elementos que componen la instrucción: código de operación, operandos fuente, operando destino y dirección de la instrucción siguiente.

  • El tamaño de las instrucciones, que puede ser fijo o variable, y cómo determinar el tamaño de los diferentes campos.

Con respecto a los operandos de la instrucción, hemos analizado el número de operandos que puede tener y su localización, así como el tipo y el tamaño de los datos que tratamos con los operandos.
Los tipos de instrucciones vistos en el módulo aparecen referenciados en la tabla siguiente.

Tipos de instrucciones

Ejemplos

Instrucciones de transferencia de datos

MOV AL, 0

MOV R1, R2

Instrucciones aritméticas

Suma

ADD R1, R2

Resta

SUB R1, 2

Multiplicación

MUL R1, R2

División

DIV R2, R3

Incremento

INC RAX

Decremento

DEC RAX

Comparación

CMP RAX, RBX

Negación

NEG RAX

Instrucciones lógicas

AND

AND R1, 1

OR

OR R1, R2

XOR

XOR R1, R2

NOT

NOT R1

Desplazamiento lógico a la izquierda

SHL RAX, 1

Desplazamiento lógico a la derecha

SHR RAX, 1

Desplazamiento aritmético a la izquierda

SAL RAX, 1

Desplazamiento aritmético a la derecha

SAR RAX, 1

Rotación a la izquierda

ROL RAX, 1

Rotación a la derecha

ROR RAX, 1

Instrucciones de ruptura de secuencia

Salto incondicional

JMP etiqueta

Salto condicional

JE etiqueta

Instrucciones de llamada y retorno de subrutina

CALL etiqueta

Instrucciones de interrupción de software

INT 80h

Instrucciones de retorno de interrupción

IRET

Instrucciones de entrada/salida

Entrada

IN AL, 20h

Salida

OUT 20h, AL

Otros tipos de instrucciones

NOP
También se han explicado detalladamente los diferentes modos de direccionamiento que puede tener un juego de instrucciones, que están resumidos en la tabla siguiente.

Direccionamiento

Sintaxis

Que expresa OP

Cómo obtenemos
la dirección

Cómo obtenemos
el dato

Observaciones

Inmediato

Valor

OP = Dato

Dato = OP

Directo a registro

R

OP = R

Dato = R

Directo a memoria

[A]

OP = A

AE = A

Dato = M[A]

Indirecto a registro

[R]

OP = R

AE = R

Dato = M[R]

Indirecto a memoria

[[A]]

OP = A

AE = M[A]

Dato = M[ M[A]]

Relativo a RB

[RB + Desp.]

OP = RB + Desp.

AE = RB + Desp.

Dato = M[ RB + Desp.]

Relativo a RI

[A + RI]

OP = EN + RI

AE = EN + RI

Dato = M[ EN + RI]

Con preautoincremento o postautoincremento RI = RI ± 1

Relativo a PC

A

OP = Desp.

Dato = PC + Desp.

PC es implícito y Dato es la dirección de la instrucción siguiente por ejecutar.

A pila

Valor o R o A

OP = Dato o R o A

AE = SP

Dato = M[SP]

Direccionamiento implícito

Abreviaturas de la tabla. Dato: con el que queremos operar; OP: información expresada en el operando de la instrucción; A: dirección de memoria; AE: dirección efectiva de memoria (dirección donde está el dato); R: referencia de un registro; Desp.: desplazamiento; [ ]: para indicar acceso a memoria; M[A]: contenido de una dirección de memoria; M[R]: contenido de la dirección de memoria que hay en el registro R.