HTML · Slides · PDF | Přehled předmětu

Cíle

  • Seznámit se s instrukční sadou vybraných procesorů

  • Poznat a pochopit principy programování v jazyku symbolických adres (assembleru)

Počítač vykonává instrukce ve svém strojovém jazyce. Lidsky čitelný zápis těchto instrukcí se nazývá jazyk symbolických adres neboli assembly language; assembler je program, který tento zápis překládá do strojového kódu.

Programování v jazyce symbolických adres

  • Znalost tzv. programátorského modelu procesoru

  • Soupis instrukcí procesoru

  • Znalost metod určování operandů

  • Mít k dispozici assembler, tedy překladač z jazyka symbolických adres do strojového kódu

Programátorský model

  • Programátorský model je abstrakce popisující, jak software vidí a ovládá procesor: jeho registry, datové typy, instrukce, adresování a stav.

  • Jeho znalost je důležitá při vývoji operačních systémů, překladačů, debuggerů a vestavěného softwaru i při analýze výkonu. Běžný aplikační kód však obvykle překládá optimalizující překladač.

  • Kvůli jednoduchosti začneme 8bitovým procesorem; základní principy platí také pro 16bitové, 32bitové a 64bitové procesory.

Obecný programátorský model 8-bitového CPU

model 8bit

Procesor Intel 8080

procesor 8080

Základní registry procesoru

  • A (Accumulator) — 8bitový střádač,

  • PC (Program Counter) — 16bitový čítač instrukcí,

  • SP (Stack Pointer) — 16bitový ukazatel zásobníku,

  • šest 8bitových univerzálních registrů B, C, D, E, H, L,

  • registry lze pro 16bitové operace seskupit do párů BC, DE a HL,

  • příznakové bity (flags).

Příznakové bity

Z (Zero)

1 při nulovém výsledku operace, jinak 0
S (Sign)

kopie nejvyššího, tedy znaménkového bitu výsledku
CY (Carry)

přenos z nejvyššího řádu výsledku
AC (Auxiliary Carry)

přenos mezi bity 3 a 4 výsledku
P (Parity)

1 při sudém počtu jedničkových bitů výsledku, jinak 0

Skryté registry

Programátorovi neviditelné:

IR

instrukční registr (8bitový); je napojen na dekodér instrukcí (řadič),
DR

datový registr (8 bitový); registr pro čtení/zápis dat z/do paměti,
AR

adresový registr (16 bitový); adresa pro čtení/zápis z/do paměti,
TA

Temporary Address register (skládá se z TA(H) (TA High - 8 bitů), TA(L) (TA Low - 8 bitů)).

Instrukce procesoru

instrukce procesoru

Zápis instrukce MOV

zapis mov

MOV X,Y

mov xy

Zápis instrukce LDA

  • Význam: načtení jednoho bytu z uvedené 16bitové adresy paměti do registru A

  • Zápis v symbolickém jazyku

    • LDA adresa

    • Příklady: LDA 0010H, LDA 1234H

Příklad programu

  • Na adrese X=0000000000010000b a adrese Y=0000000000010001b jsou operandy x = 00000010 a y = 00000011

  • Vypočtěte x := x + y

LDA 0000000000010000b   ;načtení x do registru A
MOV B,A                 ;přesun obsahu A do B
LDA 0000000000010001b   ;načtení y do registru A
ADD B                   ;sečtení obsahu A a B
STA 0000000000010000b   ;uložení obsahu registru A na adresu X

Program v paměti

program in mem

Vykonávání a instrukce programu

  • Doba provedení instrukce se popisuje počtem taktů; může záviset na instrukci, operandech, přístupu do paměti i stavu mikroarchitektury. U procesoru Intel 8080 se skládá z několika stavů T a strojových cyklů.

  • Z pohledu programu se instrukce dokončují tak, aby odpovídaly pořadí určenému čítačem instrukcí, skoky, voláními a přerušeními. Moderní procesor je přitom může interně zpracovávat paralelně nebo mimo pořadí.

  • Po resetu začne CPU načítat instrukce z adresy definované danou architekturou. U procesoru Intel 8080 je resetovací adresa 0000H; jiné architektury ji mohou mít odlišnou. Procesor může být také zastaven instrukcí HLT, čekat na událost nebo přejít do úsporného stavu.

Přesun dat (Data Transfer Instructions)

Slouží k přesunu dat mezi registry, pamětí a akumulátorem.

MOV dest, src

přesun dat mezi registry
MVI reg, data

vložení konstanty do registru
LXI rp, data16

načtení 16bitové konstanty do páru registrů
LDA addr / STA addr

načtení/uložení akumulátoru z/do paměti
LHLD addr / SHLD addr

načtení/uložení páru HL z/do paměti
XCHG

výměna HL a DE

Aritmetické instrukce

Provádějí sčítání, odčítání a další operace.

ADD reg / ADI data

sčítání s akumulátorem
SUB reg / SUI data

odčítání od akumulátoru
INR reg / DCR reg

inkrementace/dekrementace
DAD rp

sčítání páru registrů s HL
DAA

úprava akumulátoru pro BCD

Logické instrukce

Provádějí logické operace jako AND, OR, XOR.

ANA reg / ANI data

AND s akumulátorem
ORA reg / ORI data

OR s akumulátorem
XRA reg / XRI data

XOR s akumulátorem
CMP reg / CPI data

porovnání s akumulátorem
RLC, RRC, RAL, RAR

rotace bitů v akumulátoru

Řídicí instrukce

Slouží k řízení toku programu.

JMP addr

skok na adresu
JC, JNC, JZ, JNZ, JP, JM, JPE, JPO

podmíněné skoky
CALL addr / RET

volání a návrat z podprogramu
CC, CNC, CZ, CNZ, CP, CM, CPE, CPO

podmíněná volání podprogramu
RC, RNC, RZ, RNZ, RP, RM, RPE, RPO

podmíněné návraty z podprogramu

Instrukce se zásobníkem

PUSH rp / POP rp

práce se zásobníkem
SPHL

nastavení SP podle HL
XTHL

výměna HL se zásobníkem

Vstupně-výstupní instrukce

IN port

načtení dat z I/O portu do akumulátoru
OUT port

odeslání dat z akumulátoru do I/O portu

  • Instrukce IN přečte v okamžiku provedení jeden byte ze zvoleného I/O portu do akumulátoru A.

  • Instrukce OUT zapíše jeden byte z akumulátoru A do zvoleného I/O portu. Zda zařízení hodnotu uchovává, závisí na jeho řadiči; není to obecná vlastnost všech výstupních portů.

Řídicí instrukce

NOP

žádná operace
HLT

zastavení procesoru
DI / EI

zakázání/povolení přerušení

Příklad výpočtu stejného výrazu na různých architekturách

  • Výpočet stejného výrazu s různým počtem explicitních operandů instrukce.

  • Více explicitních operandů může snížit počet potřebných instrukcí, ale obvykle zvětšuje jejich kódování. Rychlost závisí také na mikroarchitektuře, přístupech do paměti a práci překladače; z počtu operandů ji nelze určit.

Počet explicitních operandů instrukce

  • Nyní opustíme svět procesoru Intel 8080 a porovnáme instrukce podle počtu explicitně zapsaných operandů. Nejde o adresovací režimy a konkrétní ISA nemusí nabízet všechny uvedené varianty.

Tříoperandové

instrukce se třemi explicitními operandy (např. ADD A,B,C znamená A := B + C)
Dvouoperandové

instrukce se dvěma explicitními operandy (např. ADD A,B znamená A := A + B)
Jednooperandové

instrukce s jedním explicitním operandem (např. INC A znamená A := A + 1)
Nulaoperandové

operandy jsou implicitně na zásobníku; například ADD odebere dvě horní hodnoty a vrátí jejich součet

Tříoperandová instrukce

  • Y = A * B + (C - D) * E / F

    1. Násob: A * B → P1

    2. Odečti: C - D → R

    3. Násob: R * E → R

    4. Děl: R / F → R

    5. Sečti: R + P1 → Y

Dvouoperandová instrukce

  • Y = A * B + (C - D) * E / F

  1. Násob A B: A * B → R ; výsledek jde vždy do R

  2. Zapiš do P1: R → P1 ; zapisuje se R do P1

  3. Odečti C D: C - D → R ; výsledek jde vždy do R

  4. Násob E: R * E → R ; výsledek jde vždy do R

  5. Děl F: R / F → R

  6. Přičti P1: R + P1 → R

  7. Zapiš do Y: R → Y

Jednooperandová instrukce

  • Y = A * B + (C - D) * E / F

  1. Načti A: A → R

  2. Násob B: R * B → R

  3. Zapiš do P1: R → P1

  4. Načti C: C → R

  5. Odečti D: R - D → R

  6. Násob E: R * E → R

  7. Děl F: R / F → R

  8. Přičti P1: R + P1 → R

  9. Zapiš do Y: R → Y

Realizace výpočtů v Intel 8080

  • sčítání (ADD, ADI) a odčítání (SUB, SUI) je přímo podporováno instrukcemi procesoru

  • násobení a dělení je realizováno pomocí podprogramů, protože instrukce procesoru je nepodporují

  • dnešní CPU (např. x86-64, Arm/AArch64) obvykle umí násobit i dělit přímo v hardwaru; celočíselné dělení nemusí být podporováno u jednodušších vestavěných jader (např. Cortex-M0), kde se realizuje softwarově

Násobení (8bit × 8bit)

  1. Vstupy: činitelé v registrech A a B

  2. Inicializuj výsledek na 0.

  3. Opakuj B-krát:

  4. Přičti A k výsledku.

  5. Použij registr jako čítač smyčky.

  6. Výsledek je 16bitový, protože součin dvou 8bitových neznaménkových čísel může být až 65025 (255 × 255).

Násobení v assembleru Intel 8080

    ; Vstup: A = první činitel, B = druhý činitel
    ; Výstup: DE = 16bitový výsledek
    ; Mění také registry A, C a H
    MOV H, A            ; H = původní první činitel
    MOV C, B            ; C = čítač smyčky
    MVI D, 00H          ; D = vyšší byte výsledku
    MVI E, 00H          ; E = nižší byte výsledku
    MOV A, C
    ORA A               ; nastav Z, pokud je druhý činitel nulový
    JZ MUL_DONE
MUL_LOOP:
    MOV A, E
    ADD H               ; přičti první činitel k nižšímu bytu
    MOV E, A
    JNC NO_CARRY
    INR D               ; přenos do vyššího bytu
NO_CARRY:
    DCR C
    JNZ MUL_LOOP
MUL_DONE:               ; DE obsahuje výsledek

Dělení

  • Dělení A / B vrací podíl v C a zbytek v A.

  • Výsledek je: C = podíl (kolikrát se dělitel B vejde do dělence) A = zbytek po dělení

Algoritmus dělení pomocí odčítání

  1. Inicializuj podíl na 0.

  2. Dokud je dělenec větší nebo roven děliteli:

  3. Odečti dělitel od dělence.

  4. Inkrementuj podíl.

  5. Zbytek je hodnota, která zůstane z dělence.

Dělení dvou 8-bitových čísel v assembleru Intel 8080

  • Podprogram vrací podíl v registru C a zbytek v registru A.

  • Vstupní hodnoty jsou dělenec v registru A a dělitel v registru B.

; Dělení dvou 8bitových čísel
; vstup:
;   A = dělenec
;   B = dělitel
; výstup:
;   C = podíl
;   A = zbytek
;
; předpoklad: B != 0
DIV8:
        MVI C, 00H     ; podíl = 0
LOOP:   CMP B          ; porovnej A s B
        JC  DONE       ; A < B -> konec
        SUB B          ; A = A - B
        INR C          ; podíl++
        JMP LOOP
DONE:                   ; C = podíl, A = zbytek

Použití podprogramu

        MVI A, 25H     ; dělenec
        MVI B, 06H     ; dělitel
        CALL DIV8      ; výsledek: C = podíl, A = zbytek
                        ; zde C = 06H a A = 01H

Moderní architektury: programátorský model x86-64

  • Nyní podrobněji k architektuře x86-64 a.k.a. Intel x64, přesněji AMD64.

  • Základní x86-64 má 16 obecných 64bitových registrů: RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RSP, RBP a R8 až R15.

  • Rozšíření Intel APX definuje dalších 16 obecných registrů; software je smí použít jen tehdy, když je podporují procesor, operační systém, ABI a nástroje.

  • Registry mají pojmenované podčásti, například RAX, EAX, AX a AL. Zápis do 32bitové podčásti, například EAX, v 64bitovém režimu nuluje horních 32 bitů registru.

Instrukční sada x86-64

  • Architekturu původně uvedla společnost AMD jako AMD64; Intel používá kompatibilní označení Intel 64.

  • Zachovává proměnnou délku instrukcí a rozsáhlou zpětnou kompatibilitu x86.

  • Volitelná rozšíření, například AVX, AVX2, AVX-512 nebo APX, je nutné před použitím detekovat; nejsou přítomna v každém procesoru.

Paměťový model

  • Lineární adresy mají v 64bitovém režimu 64bitový formát, ale musejí být kanonické.

  • Čtyřúrovňové stránkování překládá 48 bitů lineární adresy; volitelné pětistupňové stránkování LA57 překládá 57 bitů.

  • Šířka fyzické adresy je implementační vlastnost zjišťovaná instrukcí CPUID; architektura ji omezuje nejvýše na 52 bitů.

  • V 64bitovém režimu se obvykle používá plochý paměťový model. Báze segmentů CS, DS, ES a SS se fakticky neuplatňují, zatímco FS a GS mohou mít nenulovou bázi.

Režimy běhu

  • Legacy mode používá tradiční 16bitové nebo 32bitové režimy x86.

  • IA-32e/long mode zahrnuje dva podrežimy:

    • compatibility mode pro vybraný 16bitový nebo 32bitový kód pod 64bitovým operačním systémem,

    • 64-bit mode pro 64bitový kód a 64bitové obecné registry.

Stav procesoru

  • Registr RFLAGS obsahuje stavové a řídicí příznaky, například Zero, Carry a Overflow.

  • Řídicí registry CR0, CR2, CR3, CR4 a CR8 spravují mimo jiné režim procesoru, stránkování a přerušení.

  • EFER (Extended Feature Enable Register) je modelově specifický registr MSR, nikoli člen řady řídicích registrů CR.

Výpočty s plovoucí řádovou čárkou

  • Historická jednotka x87 používá zásobník registrů ST(0) až ST(7).

  • V moderním 64bitovém kódu se skalární a vektorové výpočty obvykle provádějí instrukcemi SSE/SSE2 a podle dostupnosti AVX, AVX2 nebo AVX-512.

Obecné registry

Většinu registrů lze použít pro výpočty, data i adresy. Jejich zvláštní role často vyplývá z konkrétní instrukce nebo aplikačního binárního rozhraní (ABI).

RAX

tradiční akumulátor; ABI jej obvykle používá také pro návratovou hodnotu
RBX

obecný registr s historickou rolí bázového registru
RCX

obecný registr a implicitní čítač některých instrukcí
RDX

obecný registr používaný implicitně například při násobení, dělení a I/O
RSI

obecný registr a implicitní zdrojový index řetězcových instrukcí
RDI

obecný registr a implicitní cílový index řetězcových instrukcí
RSP

ukazatel zásobníku
RBP

obecný registr, který lze podle ABI a nastavení překladače použít jako ukazatel rámce
R8–R15

další obecné registry základní architektury x86-64

Použitelné podčásti nejsou u všech registrů pojmenovány stejně. Například RAX má podčásti EAX, AX, AL a historickou horní osmibitovou část AH; registr R8 má podčásti R8D, R8W a R8B, ale obdobu AH nemá.

Ukazatel instrukce a příznaky

RIP

Instruction Pointer, určuje adresu následující instrukce podle aktuálního toku řízení
RFLAGS

registr příznaků
ZF

Zero Flag, výsledek operace je nula
CF

Carry Flag, přenos při aritmetice
SF

Sign Flag, znaménko výsledku
OF

Overflow Flag, přetečení se znaménkem

Vektorové registry

XMM0–XMM15

128bitové registry základního 64bitového prostředí, používané instrukcemi SSE/SSE2
YMM0–YMM15

256bitové rozšíření registrů XMM dostupné s AVX
ZMM0–ZMM31

512bitové registry AVX-512; jejich nižší části se zároveň označují XMM a YMM

  • Přesný počet a šířku použitelných vektorových registrů určuje režim procesoru a podporovaná rozšíření ISA.

Řídicí a systémové registry

  • Řídicí registry a registry MSR jsou určeny především pro operační systém a privilegovaný software.

  • Dostupnost konkrétních registrů a funkcí se zjišťuje pomocí CPUID; nelze ji předpokládat pouze podle označení x86-64.

Doporučené zdroje

Na další kapitolu: Paměti

HTML · Slides · PDF | Přehled předmětu