Προγραμματισμός σε επίπεδο μηχανής

Δομή ενός υπολογιστή

• Επεξεργαστής (Processor)
• Κύρια μνήμη (main memory)
• Συσκευές εισόδου εξόδου (Input output devices)
• Δίαυλος (Bus)

Κεντρική μονάδα επεξεργασίας

• Μονάδα αριθμητικής και λογικής (Arithmetic and logical unit) (ΜΑΛ)
• Γενικοί καταχωρητές (registers) (ΓΚι)
• Μετρητής προγράμματος (Program counter) (ΜΠ (PC))
• Καταχωρητής διεύθυνσης μνήμης (Memory address register) (ΚΔιΜ (MAR))
• Καταχωρητής δεδομένων μνήμης (Memory data register) (ΚΔεΜ (MDR))
• Καταχωρητής εντολής (Instruction register) (ΚΕ (IR))
• Μονάδα ελέγχου (Control unit) (ΜΕ)

O κύκλος εντολών

1. Ανάκληση εντολής (Instruction fetch)
   • ΚΔιΜ <- ΜΠ
   • ΚΕ <- Μνήμη[ΚΔιΜ]
2. Αποκωδικοποίηση εντολής (Instruction decode)
   • Α <- ΓΚ1
   • Β <- ΓΚ2
   • ΜΕ <- ΜΕ + 1
3. Εκτέλεση εντολής (Instruction execution)
   • ΚΔιΜ <- Α + ΚΕ, ΚΔεΜ <- ΓΚι (για εντολές πρόσβασης στη μνήμη)
   • Γ <- Α * Β (για αριθμητικές εντολές)
   • Γ <- ΜΠ + ΚΕ (έλεγχος τιμής από ΜΑΛ) (για εντολές διακλάδωσης)
4. Πρόσβαση μνήμης (Memory access)
   • ΚΔεΜ <- Μ[ΚΔιΜ] ή Μ[ΚΔιΜ] <- ΚΔεΜ
   • ΜΠ <- Γ (για εντολές διακλάδωσης)
   • Γ <- ΜΠ + ΚΕ (έλεγχος τιμής από ΜΑΛ)
5. Εγγραφή
   • ΓΚι <- Γ ή ΓΚι <- ΚΔεΜ

Οικογένειες επεξεργαστών

• Χαρακτηριστικά ενός επεξεργαστή
• Αρχικοί επεξεργαστές
• Οικογένειες επεξεργαστών
  • IBM 360
  • CDC 6600
  • Digital PDP-11, VAX, Alpha
  • Intel 4004, 8008, 8080, 8086
  • Motorola 68000
  • MIPS
  • SPARC
  • Power PC

Η οικογένεια επεξεργαστών iAPX86

• 8080 (8 bit, ο πρόγονος)
• 8086/8088 (16 bit)
• 80286 (24 bit, προστατευμένος ρυθμός)
• 80386 (32 bit, ιδεατή μνήμη)
• 80486 (απόδοση, μαθηματικός επεξεργαστής)
• Pentium (παράλληλη εκτέλεση εντολών)
• Pentium MMX (εκτέλεση πολλαπλών ακέραιων δεδομένων)
• Pentium II (δυναμική εκτέλεση εντολών, διπλός δίαυλος)
• Pentium III (εκτέλεση πολλαπλών δεδομένων κινητής υποδιαστολής)

Καταχωρητές

• Το μοντέλο καταχωρητών ειδικής χρήσης
• Καταχωρητές δεδομένων
  • EAX (AX (AH/AL)): Συσσωρευτής (Accumulator)
  • EBX (BX (BH/BL)): Βάση μνήμης
  • ECX (DX (CH/CL)): Μετρητής
  • EDX (DX (DH/DL)): Πολλαπλασιασμός, διαίρεση
• Καταχωρητές διευθύνσεων
  • SP: (stack pointer) Δείκτης στοίβας (Stack pointer)
  • BP: (base pointer) Βάση μνήμης
  • SI: (source index) Δείκτης προέλευσης
  • DI: (desination index) Δείκτης προορισμού

  

• Καταχωρητές τμημάτων μνήμης
  • CS: (code segment) Τμήμα εντολών
  • DS: (data segment) Τμήμα δεδομένων
  • SS: (stack segment) Τμήμα στοίβας
  • ES: (extra segment) Πρόσθετο τμήμα
  • FS: (extra segment) Πρόσθετο τμήμα
  • GS: (extra segment) Πρόσθετο τμήμα
• Καταχωρητές ελέγχου
  • IP: (instruction pointer) Μετρητής εντολής
  • FLAGS: Ενδείκτες (Flags)

Προσδιορισμός τελεστέων

Σημείωση

• Περιεχόμενο καταχωρητή: %EAX
• 'Αμεσος τελεστέος (Immediate operand): $1234
• 'Αμεση διεύθυνση (Direct address): 1234(,1)
• Έμμεση διεύθυνση από καταχωρητή (Register indirect address): (%ebx)
• Διεύθυνση με βάση (Based address): 1234(%ebx)
• Διεύθυνση με δείκτη (Indexed address): 1234(%esi)
• Διεύθυνση με βάση και δείκτη (Based indexed address): 1234(%esi,%ebx)
• Διεύθυνση με βάση, δείκτη και πολλαπλασιαστή (Based indexed scaled address): 1234(%esi,%ebx,4)

l

long (4 byte, long ή int)

w

word (2 byte, short)

b

byte (1 byte, char)

Συνδιασμοί τελεστών:

• Καταχωρητής, Καταχωρητής (π.χ. addl %eax, %eax)
• 'Αμεσος, Καταχωρητής (π.χ. subl $3, %ecx)
• Μνήμη, Καταχωρητής (π.χ. addl 54(%esi), %ax)
• 'Αμεσος, Μνήμη (π.χ. movl $45, 12(%ebp, %esi))

Παράσταση εντολών

• Δυαδική παράσταση: 01000011
• Συμβολική παράσταση: incl %ebx

  

• Το δεκαεξαδικό (hexadecimal) σύστημα

  0000   0    0
  0001   1    1
  0010   2    2
  0011   3    3
  0100   4    4
  0101   5    5
  0110   6    6
  0111   7    7
  1000   8    8
  1001   9    9
  1010   A   10
  1011   B   11
  1100   C   12
  1101   D   13
  1110   E   14
  1111   F   15
  

Ενδείκτης διακλάδωσης

CF:

(Carry flag)
Κρατούμενο (Carry):
1 αν η πράξη δημιούργησε κρατούμενο.

ZF:

(Zero flag)
Μηδέν:
1 αν το αποτέλεσμα της πράξης είναι 0.

SF:

(Sign flag)
Πρόσημο (sign)
1 αν το αποτέλεσμα είναι αρνητικός αριθμός.

PF:

(Parity flag)
Ισοτιμία
1 αν το αποτέλεσμα έχει μονό αριθμό από bit που είναι 1.

OF:

(Overflow flag)
Υπερχείλιση:
1 αν το αποτέλεσμα δε μπορεί να παρασταθεί ως θετικός η αρνητικός αριθμός.

Εντολές μεταφοράς δεδομένων

mov πηγή, προορισμός

(Move)
Μεταφορά
πηγή -> προορισμό

push πηγή

Μεταφορά στη στοίβα
%esp <- %esp - $4
(%esp) <- πηγή

pop προορισμός

Μεταφορά από τη στοίβα
προορισμός <- (%esp)
%esp <- %esp + $4

xchg προορισμός, πηγή

(Exchange)
Εναλλαγή
προορισμός <- πηγή
πηγή <- προορισμός
(ταυτόχρονα)

Αριθμητικές εντολές

add πηγή, προορισμός

(Add)
Πρόσθεση
προορισμός <- προορισμός + πηγή

inc προορισμός

(Increment)
Αύξηση κατά ένα
προορισμός <- προορισμός + 1

sub πηγή, προορισμός

(Subtract)
Αφαίρεση
προορισμός <- προορισμός - πηγή

dec προορισμός

(Decrement)
Μείωση κατά ένα
προορισμός <- προορισμός - 1

neg προορισμός

(Negate)
Αλλαγή προσήμου
προορισμός <- - προορισμός

cmp πηγή, προορισμός

(Compare)
Σύγκριση
Εκτελείται η πράξη προορισμός - πηγή και ενημερώνονται οι ενδείκτες διακλάδωσης.

mul πηγή

(Multiply)
Πολλαπλασιασμός
%edx:%eax <- %eax * πηγή

div πηγή

(Divide)
Διαίρεση
%eax <- %edx:%eax / πηγή
%edx <- %edx:%eax mod πηγή
Για να μετατρέψουμε τον ακέραιο 32 bit στον καταχωρητή %eax σε ακέραιο διαιρετέο 64 bit στο ζευγάρι καταχωρητών %edx:%eax (όπως απαιτεί η div) χρησιμοποιούμε την εντολή cltd (χωρίς παραμέτρους) (convert long to double long).

Εντολές δυαδικών ψηφίων

and πηγή, προορισμός

Σύζευξη
προορισμός <- προορισμός & πηγή

or πηγή, προορισμός

Διάζευξη
προορισμός <- προορισμός | πηγή

xor πηγή, προορισμός

Αποκλειστική διάζευξη
προορισμός <- προορισμός ^ πηγή

not προορισμός

Αντιστροφή
προορισμός <- ~ προορισμός

test πηγή, προορισμός

Έλεγχος

shl αριθμός, προορισμός

(Shift left)
Ολίσθηση (Shift) αριστερά
προορισμός <- προορισμός << πηγή

shr αριθμός, προορισμός

(Shift right)
Ολίσθηση δεξιά
προορισμός <- προορισμός >> πηγή

sar αριθμός, προορισμός

(Shift arithmetic right)
Αριθμητική ολίσθηση δεξιά
προορισμός <- προορισμός >> πηγή

rol αριθμός, προορισμός

(Rotate left)
Περιστροφή αριστερά

ror αριθμός, προορισμός

(Rotate right)
Περιστροφή δεξιά

Εντολές άλματος

JMP προορισμός

Άλμα

CALL προορισμός

Κλήση

RET

(Return)
Επιστροφή

JA/JNBE προορισμός

(Jump above)
Άλμα αν μεγαλύτερο (χωρίς πρόσημο)

JAE/JNB προορισμός

(Jump above or equal)
Άλμα αν μεγαλύτερο ή ίσο (χωρίς πρόσημο)

JB/JNAE προορισμός

(Jump bellow)
Άλμα αν μικρότερο (χωρίς πρόσημο)

JBE/JNA προορισμός

(Jump below or equal)
Άλμα αν μικρότερο ή ίσο (χωρίς πρόσημο)

JC προορισμός

(Jump carry)
Άλμα αν κρατούμενο

JNC προορισμός

(Jump no carry)
Άλμα αν όχι κρατούμενο

JE/JZ προορισμός

(Jump equal)
Άλμα αν ίσο

JNE/JNZ προορισμός

(Jump not equal)
Άλμα αν όχι ίσο

JG/JNLE προορισμός

(Jump greater)
Άλμα αν μεγαλύτερο (με πρόσημο)

JGE/JNL προορισμός

(Jump greater or equal)
Άλμα αν μεγαλύτερο ή ίσο (με πρόσημο)

JL/JNGE προορισμός

(Jump less)
Άλμα αν μικρότερο (με πρόσημο)

JLE/JNG προορισμός

(Jump less or equal)
Άλμα αν μικρότερο ή ίσο (με πρόσημο)

JO προορισμός

(Jump overflow)
Άλμα αν υπερχείλιση

JNO προορισμός

(Jump no overflow)
Άλμα αν όχι υπερχείλιση

JS προορισμός

(Jump sign)
Άλμα αν πρόσημο

JNS προορισμός

(Jump no sign)
Άλμα αν όχι πρόσημο

Βιβλιογραφία

• Εμμ. Σ. Σκορδαλάκης. Εισαγωγή στους Μεταγλωττιστές σ. 172-180, 246. Συμμετρία 1993.

• Alfred V. Aho, Ravi Sethi, and Jeffrey D. Ullman. Compilers, Principles, Techniques, and Tools, pages 519–520. Addison-Wesley, 1985.
• Free Software Foundation. Using as, 1999. http://www.gnu.org/manual/gas-2.9.1/.
• John L. Hennessy and David A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach. Morgan Kaufmann Publishers, second edition, 1996.
• Intel Corporation. The Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 1: Basic Architecture, 1999. http://www.intel.com/design/PentiumII/manuals/243190.htm.
• Intel Corporation. Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 2: Instruction Set Reference Manual, 1999. http://www.intel.com/design/PentiumII/manuals/243190.htm.

Ασκήσεις

• Γράψτε σε συμβολική γλώσσα σειρά εντολών που να θέτουν τις διευθύνσεις από 1000 - 2000 σε 0.
• Γράψτε σε συμβολική γλώσσα σειρά εντολών που να αποθηκεύουν στις διευθύνσεις από 1000 - 1200 τους άρτιους αριθμούς από 0 - 400.
• Γράψτε σε συμβολική γλώσσα σειρά εντολών που να μεταφέρουν τα περιεχόμενα των διευθύνσεων από 1000 - 2000 στην περιοχή 4000.
• Υπολογίστε πόσες εντολές θα εκτελεστούν για την παραπάνω διαδικασία.
• Αν ο υπολογιστής εργάζεται με ρολόι 133MHz και εκτελεί μια εντολή κάθε δύο κύκλους σε πόσο χρόνο θα εκτελεστεί η παραπάνω διαδικασία;

• Περιεχόμενα

 Τελευταία αλλαγή: Τρίτη, 19 Σεπτεμβρίου 2006 6:27 μμ
 Εκτός αν αναφέρεται κάτι διαφορετικό, όλο το πρωτότυπο υλικό της σελίδας αυτής του οποίου δημιουργός είναι ο Διομήδης Σπινέλλης παρέχεται σύμφωνα με τους όρους της άδειας «Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Greece License».