שפת מכונה – מבוא

שפת מכונה – מבוא

שפת מכונה – מבוא

נושאיםנושאים

היסטוריההיסטוריה

גישה לזיכרוןגישה לזיכרון

פקודות אריתמטיותפקודות אריתמטיות

של של 33מבוסס על פרק מבוסס על פרק Computer Systems – a programmers perspective / Bryant & O’hallrronComputer Systems – a programmers perspective / Bryant & O’hallrron

– 2 –

IA32מעבדי IA32מעבדי

IA32IA32.הוא השם של 'שפת המכונה' של מחשבי אינטל. הוא השם של 'שפת המכונה' של מחשבי אינטל

ISA – Instruction Set ArchitectureISA – Instruction Set Architecture"שפת מכונה" = "שפת מכונה" = אבל הוסיפו פקודות במשך הזמן8086 עם 1978התחיל ב ,

שפה מסוגComplex Instruction Set Computer (CISC) .פקודות רבות מאוד )מאות(, למרות שברובן לא משתמשים בפועל

קיימת גישה שלReduced Instruction Set Computer (RISC)

פחות פקודות --< מעבד קטן ומהיר יותר בפועל אינטל הצליחו להגיע לביצועים שווים ואף מהירים יותר(

.(RISKממחשבי

– 3 –

ProcessorsProcessors

Progress of proceessors

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

Model

# T

ran

sist

ors

)k(

Series1

2001

1978

– 4 –

x86היסטוריה של x86היסטוריה של NameName DateDate TransistorsTransistors

80868086 19781978 29K29K סיביות. הבסיס של 16מעבד IBM PC & DOS 1מוגבל ל MB זיכרון. ממילא DOS נתנה רק מרחב זיכרון של

640k

8028680286 19821982 134K134K הבסיס שלIBM PC-AT and Windows

386386 19851985 275K275K סיביות. הוסיפו 32הרחבה ל “flat addressing” כלומר, צורה(

אחידה לכתובות( מסוגל להריץ אתUnixLinux/gcc לא משתמשים בפונקציונאליות שנוצרה מאוחר יותר

ממעבד זה.

– 5 –

x86היסטוריה של x86היסטוריה של

NameName DateDate TransistorsTransistors

486486 19891989 1.9M1.9M

PentiumPentium 19931993 3.1M3.1M

PentiumProPentiumPro 19951995 6.5M6.5M הוסיפו פקודותconditional move שינויים רבים במיקרו-ארכיטקטורה

Pentium/MMXPentium/MMX 19971997 4.5M4.5M סיביות. 64הוסיפו קבוצת פקודות חדשה לטיפול בוקטורים באורך

. multimediaמיועד לתוכניות

– 6 –

x86היסטוריה של x86היסטוריה של


Pentium IIIPentium III 19991999 8.2M8.2Mהוסיפו פקודות

streaming SIMD (Single Instruction, Multiple Data) .-floating או integersהכוונה לפעולות על וקטורים שלמים של

points כל .datum ה( data הוא בגודל )1,2 עליה עובדת הפקודה בתים. 4או

Pentium 4Pentium 4 20012001 42M42M144 פקודות חדשות ל streaming SIMD mode לצורך טיפול גם

בתים.8בגודל datumב

– 7 –

JלJאHן JלJאHן ? מJאHיין ו ? מJאHיין ו

מאיין הסיבוך? חלק גדול מהסיבוך של המעבדים מאיין הסיבוך? חלק גדול מהסיבוך של המעבדיםהמודרניים נובע מהצורך שלהם להיות 'תואמים המודרניים נובע מהצורך שלהם להיות 'תואמים

אחורנית'.אחורנית'. תוכנית שהודרה על מחשב ישן יותר או עם מהדר ישן יותר עדיין

רצה על המעבד החדש יותר.

?לאן הלאה?לאן הלאהמעבדים מרובי ליבה

– 8 –

תואמים...תואמים...

Advanced Micro Devices (AMD)Advanced Micro Devices (AMD) בדר"כ קצת מאחוריIntel.)הרבה יותר זולים )לפחות בארה"ב , כיום יש להם מעבדים שמתחרים עם אלה שלIntel.גם במהירות

– 9 –

IA64 שפה חדשה: IA64 שפה חדשה:


ItaniumItanium 20012001 10M10M סיביות 64ארכיטקטורת שפה שונה לגמרי, עם התמקדות מוחלטת בביצועים )בניגוד לנוחות

אימפלמנטציה של מהדרים, למשל(:המהדר במקבילמכיל פקודות לביצוע אחד המאפיינים המרכזיים .

יכול להחליט ששתי פעולות אינן תלויות ולהכריז עליהן ככאלה עם .IA64פקודות

בניגוד לארכיטקטורת IA32 ששם הדבר נעשה באופן מוגבל וברמת החומרה.

יודע להריץ גם תוכניותIA32 (On-board “x86 engine”)

Itanium 2Itanium 2 20022002 221M221Mהאצה משמעותית בביצועים

– 10 –

text

text

binary

binary

Compiler (gcc -S)

Assembler (gcc or as)

Linker (gcc or ld)

C program (p1.c p2.c)

Asm program (p1.s p2.s)

Object program (p1.o p2.o)

Executable program (p)

Static libraries (.a)

לתוכנית ברת Cמתוכנית ב תזכורת:הרצה

לתוכנית ברת Cמתוכנית ב תזכורת:הרצה

נניח שהתוכנית נמצאת בקבציםp1.c p2.c נהדר עם :gcc -O p1.c p2.c -o p(-O אופטימיזציות בסיסיות ,-o בינארי בקובץ p)

– 11 –

מנקודת המבט של assembly...

מנקודת המבט של assembly...

PC

Registers

CPU Memory

Object CodeProgram Data

OS Data

Addresses

Data

Instructions

Stack

ConditionCodes

הזיכרון.מערך בתים עם כתובות ,תוכניותdata .מידע של מע"ה , מכיל מחסנית)stack( לצורך

תמיכה בתוכניות פרוצדורליות.

מצב המערכת:מצב המערכת:PCProgram Counter

הכתובת של הפקודה הבאהRegister file(!זה לא קובץ)

:(אוגרים) מידע שמשתמשים בו רגיסטריםלעתים קרובות / השתמשו בו לאחרונה.

Condition Codes סטטוס של פקודות אריתמטיות שבוצעו

לאחרונה. מיועד עבורconditional branching

– 12 –

Assemblyמאפיינים של Assemblyמאפיינים של datadataקבוצה מינימלית של סוגי קבוצה מינימלית של סוגי

בתים1,2,4שלמים בגודל .או ערכים, או כתובות

Floating point בתים.10 או 8, 4 בגודל )... ,אין מבני נתונים מורכבים יותר )מערכים, מבנים

.מיוצגים על ידי רצף של בתים בזיכרון

פעולות בסיסיות בלבדפעולות בסיסיות בלבדפעולה אריתמטית על רגיסטר או ערך בזיכרוןהעברת מידע בין זיכרון לרגיסטר פקודותcontrol

קפיצות מ ואל פרוצדורות קפיצות מותנות(conditional branches)

– 13 –

(Assemblyהידור )תרגום ל (Assemblyהידור )תרגום ל

C CodeC Code

int sum)int x, int y({ int t = x+y; return t;}

Generated Assemblysum:..move src target add src target

..return

על ידי assemblyניתן לראות את ה

gcc -O -S code.c

code.sמייצר קובץ

– 14 –

(Assemblyהידור )תרגום ל (Assemblyהידור )תרגום ל

C CodeC Code


Generated Assemblysum:..move 12)R8(,R1add 8)R8(,R1

..return


gcc -O -S code.c


יש R8ברגיסטר כתובת. הבא את מה שיש בכתובת

12 זאת +מהזיכרון

שם רגיסטר

– 15 –

כיצד זה באמת נראה...כיצד זה באמת נראה...

C CodeC Code


Generated Assembly


gcc -O -S code.c


_sum:pushl %ebpmovl %esp,%ebpmovl 12)%ebp(,%eaxaddl 8)%ebp(,%eaxmovl %ebp,%esppopl %ebpret

פקודות האופיניות לתחילת

שמור פונקציה:frame pointer

במחסנית...

– 16 –

המחסניתהמחסנית לכל פונקציה פעילה יש מסגרת)frame(

במחסנית (טווח כתובות). כשהפונקציה נקראת, נעשית הקצאה של מסגרת

))frame .חדשה

:המסגרת מכילה משתנים מקומיים שאין רגיסטר פנוי עבורם

או שהם מטיפוס מורכב כגון מערך. לפני הסוף: פרמטרים של הפונקציה

הנקראת מפונקציה זאת.:כתובת לחזרה (הכוונה לכתובת בסוף

בזיכרון הראשי של הפקודה הבאה).

frame pointer נשמר תמיד ב R8.

stack pointer המקום הבא לכתיבה) . כשחוזרים R7במחסנית) נשמר תמיד ב

מהפונקציה, הוא נסוג במחסנית.

Stack

yx

Rtn adrR8 0

4 8 12

Offset

•••

-4

– 17 –

דוגמהדוגמהC CodeC Code

חבר שני מספריםsigned

AssemblyAssembly 4חבר שני מספרים בינאריים בגודל

בתים. אין הבדל אםsigned / unsigned דומה לx += y

אופרנדיםx: Register R1y: Memory M[R8+8]t: Register R1

R1הערך המוחזר ב «

int t = x+y;

add 8)R8(,R1

– 18 –

הזזת :moveפקודת מידע

הזזת :moveפקודת מידע

R1R2R3R4R5R6R7R8

movemove SourceSource, , DestDest פקודתפקודת

בתים בתים44מזיז מילה של מזיז מילה של

סוגי "אופרנדים" )פרמטרים של הפקודה(:סוגי "אופרנדים" )פרמטרים של הפקודה(:

קבועיםקבועים – כמו בC$ אבל מתחיל ב ,

$0למשלx400, $-533

שם רגיסטרשם רגיסטר רגיסטרים שנכנה 8במעבדים מודרניים בדר"כ R1,R2,...,R8

לחלקם שימוש ייעודי בפקודות מסוימות. לR7,R8.תפקיד ספציפי

מיקום בזיכרוןמיקום בזיכרון אופנים שונים לפנות לזיכרון). שיטות מיעון )יש שמונה

addressing modesבאנגלית:

stack pointer

frame pointer

– 19 –

moveשילובים אפשריים ב moveשילובים אפשריים ב

.לא מאפשר העברה מזיכרון לזיכרון בפעולה אחת

move $0x4,R1

move $-147,)R1(

move R1,R2

move R1,)R2(

move )R1(,R2

Cאיך זה נראה ב

temp = 0x4;

*p = -147;

temp2 = temp1;

*p = temp;

temp = *p;

move constant register

move constant memory

move register register

move register memory

move memory register

תבנית דוגמה

– 20 –

שיטות מיעון פשוטותשיטות מיעון פשוטות

1. Normal1. Normal (R)(R) Mem[Reg[R]]Mem[Reg[R]]

רגיסטרRמכיל כתובת בזיכרון :דוגמהmove )R3(,R1

2. Displacement2. Displacement D(R)D(R) Mem[Reg[R]Mem[Reg[R]+D]+D]

רגיסטרR .מציין התחלה של אזור בזיכרון הקבועD מציין את ה offset.)תזוזה ממקום זה( :דוגמהmove 8)R8(,R2

– 21 –

שיטת מיעון המתייחסת למערכיםשיטת מיעון המתייחסת למערכים

3. move (R4,R6,4) R2

R4.מכיל כתובת של תחילת מערך

R6.מכיל את מספר הקפיצות קדימה במערך בבתים

4.)הוא גודל הקפיצה )נקבע על פי הטיפוס

התוצאה מועברת לR2.

:למשל, ניתן לממש כך את

int a[10];

int j = a[3];

– 22 –

lealהפקודה lealהפקודה

leal – load effective address (long)leal – load effective address (long)הפקודה הפקודה

leal (R1 R2 4) R3leal (R1 R2 4) R3

דומה ל דומה לmovemove אבל במקום להעביר את התוכן של אבל במקום להעביר את התוכן של הזיכרון, מעביר את הכתובת. הזיכרון, מעביר את הכתובת.

כמוכמו

x = &y;x = &y;

– 23 –

דוגמה לשימוש בשיטות מיעון פשוטות

דוגמה לשימוש בשיטות מיעון פשוטות

void swap)int *xp, int *yp( { int t0 = *xp; int t1 = *yp; *xp = t1; *yp = t0;}

swap:

move 12)R8(,R3move 8)R8(,R2move )R3(,R1move )R2(,R4move R1,)R2(move R4,)R3(

גוף

מזיכרון ypכתובת של R3ל

לרגיסטר R3תוכן של(.t1)שקול ל

– 24 –

מבוצעתSwap ננסה להבין איך מבוצעתSwap ננסה להבין איך


Stack

ypxp

Rtn adrR8 0

4 8 12

Offset

•••

-4

במחסנית (טווח כתובות). )frame( לכל פונקציה פעילה יש מסגרת • המסגרת מכילה:

משתנים מקומיים שאין רגיסטר פנוי עבורם או שהם מטיפוס מורכב •כגון מערך.

לפני הסוף: פרמטרים של הפונקציה הנקראת מפונקציה זאת, •כתובת לחזרה (הכוונה לכתובת בזיכרון הראשי של הפקודה בסוף:•

הבאה).

? )frame pointer( מכיל את הכתובת של המסגרת R8 כיצד • חדשה. frame(כשהפונקציה נקראת, נעשית הקצאה של מסגרת (•

. R8המצביע למקום זה בזיכרון מוכנס באופן אוטומטי ל

– 25 –

מבוצעתSwap ננסה להבין איך מבוצעתSwap ננסה להבין איך


move 12)R8(,R3 R3 = yp

move 8)R8(,R2 R2 = xp

move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(

move R1,)R2( *xp = R1

move R4,)R3( *yp = R4

Stack

RegisterVariable

R3 yp

R2 xp

R1 t1

R4 t0

yp

xp

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

•••

-4

– 26 –

Understanding SwapUnderstanding Swap



move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(



0x120

0x124

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

-4

123

456

Address

0x124

0x120

0x11c

0x118

0x114

0x110

0x10c

0x108

0x104

0x100

yp

xp

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8 0x104

– 27 –




move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(



0x120

0x124

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

-4

123

456

Address

0x124

0x120

0x11c

0x118

0x114

0x110

0x10c

0x108

0x104

0x100

yp

xp

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

0x120

0x104

– 28 –




move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(



0x120

0x124

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

-4

123

456

Address

0x124

0x120

0x11c

0x118

0x114

0x110

0x10c

0x108

0x104

0x100

yp

xp

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

0x124

0x120

0x104

– 29 –




move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(



0x120

0x124

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

-4

123

456

Address

0x124

0x120

0x11c

0x118

0x114

0x110

0x10c

0x108

0x104

0x100

yp

xp

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

456

0x124

0x120

0x104

– 30 –




move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(



0x120

0x124

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

-4

123

456

Address

0x124

0x120

0x11c

0x118

0x114

0x110

0x10c

0x108

0x104

0x100

yp

xp

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

456

0x124

0x120

123

0x104

– 31 –




move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(



0x120

0x124

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

-4

456

456

Address

0x124

0x120

0x11c

0x118

0x114

0x110

0x10c

0x108

0x104

0x100

yp

xp

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

456

0x124

0x120

123

0x104

– 32 –




move )R3(,R1 R1 = *yp )t1(

move )R2(,R4 R4 = *xp )t0(



0x120

0x124

Rtn adr

R8 0

4

8

12

Offset

-4

456

123

Address

0x124

0x120

0x11c

0x118

0x114

0x110

0x10c

0x108

0x104

0x100

yp

xp

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

456

0x124

0x120

123

0x104

– 33 –

פעולות אריתמטיות – שני אופרנדים

פעולות אריתמטיות – שני אופרנדים

תבנית ...מחשב את

add Src,Dest Dest = Dest + Src

subtract Src,Dest Dest = Dest - Src

multiply Src,Dest Dest = Dest * Src

shiftal Src,Dest Dest = Dest << SrcAlso called shll

shiftar Src,Dest Dest = Dest >> SrcArithmetic

shiftr Src,Dest Dest = Dest >> SrcLogical

xor Src,Dest Dest = Dest ^ Src

and Src,Dest Dest = Dest & Src

or Src,Dest Dest = Dest | Src

– 34 –

פעולות אריתמטיות – אופרנד אחד

פעולות אריתמטיות – אופרנד אחד

תבנית ...מחשב את

increment Dest Dest = Dest + 1

decrement Dest Dest = Dest - 1

negate Dest Dest = - Dest

not Dest Dest = ~ Dest

– 35 –

דוגמה נוספתדוגמה נוספת

int logical)int x, int y({ int t1 = x^y; int t2 = t1 >> 17; int mask = )1<<13( - 7; int rval = t2 & mask; return rval;}

logical:

move 8)R8(,R1xor 12)R8(,R1shiftar $17,R1and $8185,R1

Body

move 8)R8(,R1 R1 = xxor 12)R8(,R1 R1 = x^y )t1(shiftar $17,R1 R1 = t1>>17 )t2(and $8185,R1 R1 = t2 & 8185

213 – 7 = 8185מי ביצע את החישוב

? הזה

שפת מכונה – מבוא

Documents