Architecture des ordinateurs et programmation ASM
Architecture des ordinateurs et programmation ASM en PDF
...
- Programme binaire
- Généré par le compilateur (ou écrit par le programmeur en langage machine)
- Ensemble d'instructions machine chargées en mémoire centrale lors de l'exécution d'un programme
- Les instructions sont exécutées séquentiellement
PC (Program Counter) contient l'adresse de l'instruction à exécuter mémoire centrale
.....
0001011011110110
0001011101101101
0011000100100100
PC
si le programme commence
à l'adresse 5000h PC vaut 5000h
puis 5002h puis 5006h ....
les instructions de contrôle (if else, boucle for, while, ...) modifient la valeur de PC
...
- Jeu d'instructions
- Une instruction est définie par :
– l'opération à réaliser
– les opérandes : registres et cases mémoire modifiés / utilisés par l'instruction
- Une instruction est représentée par un code binaire qui suit un format d'instruction
- Quelles instructions ?
– quelles opérations élémentaires ? (différentes utilisations : DSP, multimédia, CPU...)
– quels types de données ? (booléens, flottants, entiers, codes ASCII, BCD)
- Objectif : assurer les meilleures performances en terme de
– rapidité d'exécution
– taille du code
– facilité d'utilisation (écriture des compilateurs)
- Tendance : simplicité du jeu d'instructions et du codage (même format d'instruction, même temps d'exécution)
RISC : Reduced Instruction Set Computers
Exemple d'instruction 68000
En binaire : 0010 0010 0011 1001 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0000
En hexadécimal : 2239 0000 0020h
La même chose lisible (langage assembleur) :
movel _i,d1
- movel : transfert de données (move) de type long (l)
- i : opérande source (une donnée mémoire)
- d1 : opérande destination (un registre interne)
Le registre interne d1 reçoit le contenu de la variable en mémoire centrale i
- Format d'instruction
- L'instruction est représentée par un code binaire. Ce code binaire est découpé en champs ayant des rôles différents : c'est le format d'instruction.
CODE MODE OP1 OP2
- Le format d’instruction peut varier selon le type des opérandes
- Tendance : un format uniforme
Exemple : PROCSI
- Langage assembleur : <inst> <op-dest> , <op-source>
Exemple : add R1, R4
- Format d'instruction : 1, 2 ou 3 mots de 16 bits
...
2ème mot : valeur immédiate ou adresse
3ème mot : adresse
Exemple : 000000 0000 0100 0001
...
Exemple : famille xx86 (Pentium)
très grand nombre d'instructions (synonymes) et modes d'adressage
syntaxe: op-code op-dest , op-source
Ex: add cx, bx
add cl, bl
mov 80[bx], ax
- Opérandes
4.1. Registres internes
Registres généraux dans une mémoire statique interne, accessible en un top d’horloge processeur
- moins de traffic mémoire
- programmes plus rapides
- code machine plus dense
Achaque fois que c'est possible
4.2. Opérandes mémoire :
la donnée est dans la mémoire centrale accès à un octet (8 bits), mot (16 bits), double mot (32 bits), mot long (64 bits)
Accès à un mot ou double :
adresse paire
…
Accès à un octet :
adresse paire
ou impaire
Initialisation de variables locales, tableaux
4.3. Modes d'adressage
- Spécification de la façon de calculer un opérande (objet à accéder)
– constante
– registre
– case mémoire
- Codé par un champ d'instruction
- Le codage dépend du nombre de modes possibles et de l'interdépendance entre modes et codes opération
- Exigences contradictoires :
– Avoir autant de modes d'adressage que possible (facilité de programmation)
– Impact sur la taille des instructions et donc du programme
...
Quel est le code binaire de ADD R5,R7 ?
000000 0001 0011 0101
000000 0000 0111 0101
000000 0000 0101 0111
La variable i est à l'adr esse 9 dans la mémoire
Comment traduire l'instruction java “ i = i + 3”
ADD [9],R3
ADD [9],#3
ADD [9],[3]
Exemple: modes d'adressage de PROCSI suite ...
Représentation Effet Mode adressage Code
ADD R1, [R5] REG[1] <- REG[1] + MEM[REG[5]] registre/indirect 000000 1100 101 001
Additionne le registre 1 et
le mot mémoire dont l'adresse est dans R5
Le résultat va dans le registre 1
ADD R2, 8[R5] REG[2] <- REG[2] + MEM[REG[5]+ 8] registre/déplacement 000000 1001 xxx 010
0000 0000 0000 1000
Additionne le registre 2 et le mot mémoire
Dont l'adresse est le contenu de R5 + 8
Le résultat va dans le registre 2
Si le tableau “int[] T” est à l'adresse 8 dans la mémoire, si le registre R5
contient la valeur 8 alors [R5] correspond à T[0]
Sachant que les “int” en Java sont codés sur 32 bits (soit 4 cases mémoire), à quoi correspond 8[R5] ?
T[5]
T[8]
T[2]
- Opérations du jeu d'instruction
5.1. Classes d'opérations
- arithmétiques et logiques (entier ou flottant)
Calculs
- chargement / rangement
Transferts de / vers la mémoire
...
5.2. Instructions de contrôle
Rompt l'exécution séquentielle du programme
PC: registre «Program Counter» contient l'adresse de la prochaine instruction à exécuter
- exécution séquentielle : PC est incrémenté de la taille du format de l’instruction en cours d’exécution il pointe donc sur la prochaine instruction à exécuter
- instruction de contrôle : modifie la valeur de PC
ce n'est donc pas l'instruction suivante qui est exécutée
Exemple PROCSI
8000h : 000000 0000 010 001 ADD R1, R2
8001h : 000000 0100 xxx 001 ADD R1, #24
8002h : 0000000000011000
8003h : 000100 xxxx xxx xxx JMP 8360h
8004h : 1000 0011 0110 0000
8005h : .................................
.......... : ................................
8360h : 000000 0000 110 000 ADD R0, R5
Exemple PROCSI
PC = 8000h
PC <- 8001h + 2
PC <- 8000h + 1 séquentiel
PC <- 8360h contrôle
adresses en hexa dans mémoire instruction
- Adresse de branchement
– le programme est écrit avec une étiquette symbolique,
– l’adresse relative du branchement est connue lors de la phase de compilation,
– l’adresse réelle du branchement est connue lors du chargement du programme en mémoire centrale (dépend de la machine).
- Condition de branchement
– test sur le résultat d'une opération arithmétique ou logique
Exemple : résultat nul, résultat positif, retenue …
- La condition est
– générée par l'unité de calcul de l'unité centrale (ALU)
– stockée dans un registre spécial accessible par la partie contrôle (SR)
-> la partie contrôle prend en entrée la valeur de SR pour savoir si le branchement doit être pris
- 23 Instructions assembleur
5.3. Catégories d'instructions de contrôle
- saut (branchement inconditionnel)
PC <- adresse branchement
goto
- branchement conditionnel
si condition vraie PC <- adresse branchement
sinon PC inchangé
if then else, while, for
- appel procédure
"PC_sauv "<- PC
PC <- adresse branchement
- retour procédure
PC <- "PC_sauv"
Exemple: PROCSI
jmp : “jump”saut non conditionnel
On suppose que le compilateur a associé le registre R1 à la variable x, le registre R2 à la variable y et le registre R3 à la variable z
Quel code PROCSI correspond à : x = x + y;
if (x!=10) x = x + 22;
z++;
add R1,R2
cmp R1,#10
jeq suite
add R1,#22
suite : add R3,#1
add R1,R2
cmp R1,#10
jne suite
add R3,#1
suite : add R1,#22
add R3,#1
add R1,R2
cmp R1,#10
jne suite
add R3,#1
jmp fin
suite : add R1,#22
add R3,#1
fin :
- 27
Instructions assembleur
Exemple : une boucle en C et en 68000
_main:
moveq #5,d0
movel d0,_i
L2:
moveq #9,d0
cmpl _i,d0
jge L5
jra L3
L5:
addql #1,_result
L4:
addql #1,_i
jra L2
L3:
rts
int result = 8;
int i=0;
main()
{
for (i = 5;i < 10; i++)
result++;
}
d0 vaut 5
i vaut d0
d0 reçoit 9
comparaison de i et d0
saut à L5 si i <= d0
saut à L3
result reçoit result+1
i reçoit i + 1
saut à L2
retour
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Instructions assembleur
5.4. Procédures
- Le code de la procédure utilise les paramètres
- La valeur des paramètres est connue lors de l'exécution
- Le nombre d’appels n’est pas toujours connu de façon statique : appels dans un if, appels imbriqués de procédures, procédures récursives, ...
Il faut un mécanisme de saut pour “aller” à la procédure, et il faut un mécanisme pour en revenir
Une pile pour gérer :
- le passage des paramètres
- l'appel de procédure
- le retour de procédure
Pile: zone contiguë de la mémoire centrale un registre spécialisé SP (stack pointer) du CPU contient l'adresse du sommet de pile
- 29
Instructions assembleur
Communication entre appelant et procédure
- Séquence d'appel
empiler les paramètres
empiler l'adresse de retour (PC courant)
PC prend l'adresse de la procédure
- Séquence d'entrée
sauvegarde additionnelle de registres
allocation de pile pour variables locales
- Séquence de sortie désalloue les variables locales de la pile met le résultat du calcul dans un endroit accessible par l'appelant
PC prend la valeur du sommet de pile
- Séquence de retour l'appelant récupère le résultat et en dispose
Programme appelant
Procédure
Procédure
Programme appelant
Le détail des appels de procédures sera vu en cours d’assembleur ARM
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Instructions assembleur
Appel de la procédure dans le programme appelant :
- “push” pour chaque paramètre
- “call <adresse_proc>” : 1. empile l'adresse de retour (PC courant)
- modifie PC : PC <adresse_proc>
Dans la procédure :
- “push” pour sauvegarder les registres modifiés par la procédure
- récupère les paramètres dans la pile : adressage mémoire avec déplacement par rapport à SP
- calcul
- “pop” pour restituer les valeurs initiales des registres
- “ret” : la valeur en sommet de pile est dépilée et placée dans PC
L'exécution continue dans la procédure
L'exécution continue dans le programme appelant
...
5.5. Interruptions
L'exécution normale du programme est interrompue pour raison logicielle ou matérielle
Trois mécanismes de base
- Interruptions logicielles : appel au noyau du système d'exploitation
- Conditions d'erreur : division par 0, stack overflow, défaut de page, ...
- Interruptions matérielles : clic souris, clic clavier, ...
Traitement identique à un appel de procédure mais :
– Sauvegarde du contexte du programme (pas seulement PC actuel)
– La routine d'interruption est stockée dans un endroit protégé de la mémoire
– L'appel de la routine d'interruption est fait par la partie contrôle dans le cas des conditions d'erreur et des interruptions matérielles
– Table d'interruption : fait le lien entre type d'interruption et adresse de la routine associée
