Programowanie w asemblerze Architektura procesora

Transkrypt

Programowanie w asemblerze
Architektura procesora
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
17 stycznia 2017
Zwana też ISA (Instruction Set Architecture). Klasyfikacja
stos;
akumulator; jeśli dodatkowe rejestry specjalizowane (np.
adresowy), to extended accumulator ;
rejestr-pamieć
˛
rejestr-rejestr + load/store
Ponadto w klasyfikacji uwzglednia
˛
sie˛ liczbe˛ argumentów
instrukcji (0–3) oraz liczbe˛ adresów pamieci
˛ w instrukcji
(0–3).
Różne poziomy uprzywilejowania
Najprostsza wersja:
zwykły (user )
systemowy (supervisor ).
Ale na procesorach Intela 4 poziomy (0–3), choć w
praktyce tylko 2 sa˛ używane.
Model pamieci
˛
Problem wyrównania (alignment) — używania adresów
bed
˛ acych
˛
wielokrotnościa˛ pewnej wartości.
Przykład: Pentium II ma 36-bitowe adresy, ale tylko
33-bitowa˛ szyne˛ adresowa.
˛
Trzy dolne bity adresu na szynie maja˛ zawsze wartość 0.
W efekcie zawsze pobierane jest 8 bajtów.
Kolejność bajtów w wiekszych
˛
jednostkach
Dwie możliwości:
little endian: najmniej znaczacy
˛ bajt jako pierwszy,
wymusza czytanie napisów (string) bajt po bajcie, inaczej
odwrotna kolejność w rejestrze wielobajtowym;
big endian: standard dla sieci.
Rejestr stanu procesora
Zawiera cz˛esto bit(y) aktualnego trybu pracy, co umożliwia
sprz˛etowa˛ realizacje˛ trybu uprzywilejowanego.
Flagi w nim zawarte dziela˛ sie˛ na
warunkowe, sygnalizujace
˛ wynik ostatniej operacji;
sterujace,
˛
służace
˛ do ustalania trybu pracy.
Flagi w procesorze Pentium
SF (znak) najwyższy bit wyniku ostatniej operacji
arytmetyczno-logicznej (czyli 1 gdy wynik < 0);
ZF (zero) ustawiana gdy wynik ostatniej operacji
arytmetyczno-logicznej był zerem;
PF (parzystość) ustawiana gdy dolny bajt wyniku ma parzysta˛
liczbe˛ jedynek;
CF (przeniesienie) ustawiana gdy podczas wykonywania
operacji arytmetyczno-logicznej powstało
przeniesienie (czyli istotna dla liczb bez znaku),
ale używana czasem także w innych sytuacjach;
OF (przepełnienie) ustawiana gdy podczas wykonywania
operacji arytmetyczno-logicznej powstało
przepełnienie (czyli istotna dla liczb ze znakiem);
IF (przerwania) zezwala na przyjmowanie przerwań;
DF (kierunek) wyznacza kierunek przebiegu operacji dla
przesłań blokowych, 0 oznacza zwiekszanie
˛
adresu.
Instrukcje maszynowe
Postać instrukcji maszynowych
Ciag
˛ bajtów o zmiennej długości („CISC”)
Słowo: (prawie) wszystkie instrukcje maja˛ te˛ sama˛ długość
(„RISC”)
Struktura instrukcji
Podzielone na pola, podział może być różny dla różnych
grup instrukcji.
Czasem poprzedzane dodatkowym prefiksem,
wpływajacym
˛
na interpretacje˛ właściwej instrukcji albo
zawierajacym
˛
dodatkowa˛ cz˛eść adresu.
W niektórych opisach prefiks uważany jest za osobna˛
instrukcje.
˛
Instrukcje maszynowe
Pola:
kodu operacji, określa operacje˛ do wykonania
trybu adresowania, określa sposób wyznaczania
argumentu lub adresu efektywnego.
Podaje regułe˛ interpretacji dla pól adresowych, np. może
określać, czy instrukcja operuje na bajtach, słowach itd.
(jeśli informacja ta nie jest zawarta w kodzie instrukcji).
adresowe, wskazuje komórk˛e w pamieci
˛ lub rejestr
procesora
Moga˛ też wystepować
˛
pola specjalne, np. podajace
˛ liczbe˛
przesunieć
˛ w przypadku przesunieć
˛ i obrotów.
Obliczanie adresu efektywnego
Adres efektywny = ostateczny adres w odwołaniu do
pamieci,
˛ otrzymany w wyniku przetwarzenia zleconego
zadanym trybem adresowania.
Przestrzeń adresowa.
Rejestry segmentowe, tablica segmentów.
Deskryptory segmentów.
Repertuar instrukcji
Typy instrukcji:
Arytmetyczno-logiczne. Dodawanie, odejmowanie,
mnożenie i dzielenie całkowite.
ADD, ADC, INC, SUB, SBB, DEC, MUL, DIV, CMP
Osobne operacje arytmetyczne dla innych sposobów
reprezentacji liczb (np. BCD, ASCII, zmiennopozycyjne).
Arytmetyka z nasyceniem (saturating): gdy wynik za duży
ustawia sie˛ najwieksz
˛
a˛ dopuszczalna˛ wartość. Stosowana
w DSP (np. MMX w Pentium).
Repertuar instrukcji (c.d.)
Operacje Boole’owskie, argumenty traktowane jako ciagi
˛
bitów, operacja wykonywana na parze odpowiadajacych
˛
sobie bitów.
NOT, AND, OR, XOR, TEST
Obroty i przesuniecia.
˛
Obroty cykliczne
ROR, ROL, RCR, RCL
Przesuniecia
˛
logiczne i arytmetyczne (dzielenie/mnożenie
przez 2)
SHL, SHR, SAL, SAR
Repertuar instrukcji (c.d.)
Przesłania danych. Służa˛ do przepisywania lub zmiany
zawartości rejestru/komórki pamieci
˛ w inne miejsce: MOV,
XCHG.
Operacje na stosie: PUSH, POP, PUSHF, POPF.
Operacje wejścia/wyjścia: IN, OUT.
Wiele procesorów dostarcza specjalne instrukcje złożone
do zwartego zapisywania typowych ciagów
˛
operacji, np.
przepisywania czy przeszukiwania całych bloków pamieci
˛
(LODS, STOS, MOVS, SCAS, CMPS, REP).
Sterujace.
˛
Instrukcje te zmieniaja˛ normalna˛ sekwencyjna˛
kolejność wykonywania instrukcji, modyfikujac
˛ wartość
licznika rozkazów. Argumentem (niekoniecznie jedynym)
jest zwykle adres nastepnej
˛
instrukcji do wykonania: może
być podany jako wzgledny
˛
lub bezwzgledny.
˛
Skoki bezwarunkowe (JMP) wykonywane zawsze.
Rozgałezienia
˛
(skoki warunkowe): skok jest wykonywany
tylko jeśli spełniony był odpowiedni warunek. Warunek
może polegać na sprawdzeniu odpowiedniej flagi lub flag,
ustawianych zależnie od wyniku ostatniej instrukcji
arytmetyczno logicznej — tak jest na procesorach 80x86
Intela (instrukcje JZ/JE, JNZ/JNE, JC, JNC, JO, JNO, JP,
JNP).
Sa˛ osobne skoki dla liczb ze znakiem (JG, JGE, JL, JLE) i
bez znaku (JA, JAE, JB, JBE).
Inna możliwość to umieszczenie wyniku porównania w
rejestrze i sprawdzanie go (np. procesor Alpha, ale także
Pentium). Wada: zajmuje sie˛ cały rejestr.
Ostatnia możliwość to instrukcje typu compare and branch,
dokonujace
˛ zarówno porównania jak i skoku warunkowego
(np. VAX, PA-RISC), stwarza to jednak kłopoty przy
agresywnym przetwarzaniu potokowym.
Wywołanie/powrót z podprogramu.
CALL, RET
Przerwanie programowe i powrót z przerwania: INT, IRET.
P˛etle (LOOP, JCXZ, LOOPE, LOOPNE). Cz˛esto instrukcja
przeskoku – warunkowego omijania pojedynczej nastepnej
˛
instrukcji.
Reczne
˛
ustawianie flag.
CLI, STI, CLC
Instrukcja NOP — wypełniacz.
Specjalne. Moga˛ być wykonywane tylko w trybie
uprzywilejowanym. Obejmuja˛ manipulowanie
mechanizmami ochrony, zatrzymanie procesora (HLT).
Tryby adresowe
Typy argumentów instrukcji.
Tryby adresowe określaja˛ sposób wyznaczania położenia
argumentów.
Tryby adresowe
niejawny (domyślny)
mul
ecx
natychmiastowy, dana jest zawarta bezpośrednio w
instrukcji
mov
eax,10
rejestrowy, argument znajduje sie˛ w rejestrze, którego
numer (symbol) podaje pole adresowe
add
eax,ebx
Tryby adresowe
bezpośredni, adres argumentu znajduje sie˛ w polu
adresowym
mov
eax,[100]
rejestrowy pośredni, adres argumentu znajduje sie˛ w
podanym rejestrze
mov
eax,[esi]
pośredni, w polu adresowym znajduje sie˛ adres komórki
pamieci,
˛ w której znajduje sie˛ adres argumentu (nie
wystepuje
˛
w serii 80x86).
wzgledny,
˛
w polu adresowym podane jest przesuniecie
˛
wzgledem
˛
licznika rozkazów; najcz˛eściej używany w
skokach warunkowych
jle
30
Tryby adresowe
indeksowy, adres argumentu powstaje ze zsumowania
dwóch składników podanych w instrukcji:
adresu lub przesuniecia
˛
podanego w polu adresowym
instrukcji i zawartości podanego rejestru, lub
zawartości jednego lub dwóch rejestrów.
Jeden z nich (zwykle ustalony) nazywamy baza,
˛ zaś drugi,
cz˛esto iteracyjnie zmieniany, indeksem. Rejestr może być
skalowany: jego wartość podczas wyznaczania adresu
efektywnego mnoży sie˛ np. przez 2.
mov
mov
eax,[ebx+100]
ecx,[ebx+esi]
Dla 80x86 ogólny schemat adresu ma postać
adres-bazowy + przesuniecie
˛
+ indeks * rozmiar-elementu
autoinkrementacja/autodekrementacja, polega na
automatycznym zwiekszeniu
˛
argumentu po wykonaniu (lub
przed wykonaniem) instrukcji.
Tryby adresowe
Dokumentacja firmowa podaje tryby dopuszczalne dla
każdej instrukcji.
Dla wiekszości
˛
instrukcji dostepne
˛
sa˛ wszystkie sensowne
kombinacje trybów.
Specjalne tryby dla procesorów sygnałowych (DSP)
cykliczny (modulo): podaje sie˛ adres bufora, automatyczne
zwiekszanie
˛
wskaźnika bufora z zawijaniem
bit reverse (dla FFT): adres docelowy to odwrócenie n
dolnych bitów adresu źródłowego.
Sposoby korzystania z rejestru uniwersalnego
Jako akumulator. W rejestrze znajduja˛ sie˛ dane do
obliczeń określonych kodem instrukcji.
Jako wskaźnik. Rejestr zawiera adres właściwego
operandu instrukcji, a nie sam operand.
Jako automatycznie zwiekszany
˛
wskaźnik do
przechodzenia po kolejnych komórkach pamieci.
˛
Przechodzenie w przód znane jest jako
„autoinkrementacja”, przechodzenie w tył jako
„autodekrementacja”. Najcz˛estsze zastosowanie to
przetwarzanie danych tablicowych.
Jako indeks (rejestr indeksowy). W tym przypadku
zawartość rejestru dodawana jest do podanego w instrukcji
adresu bazowego dajac
˛ adres operandu.
Operacje na bitach
Instrukcja BT (Bit Test) wstawia wartość podanego bitu w
argumencie do flagi CF.
Instrukcja BTS (Bit Test and Set) wstawia wartość
podanego bitu w argumencie do flagi CF i ustawia ten bit
na 1. Klasyka systemów operacyjnych.
Takie instrukcje zapewne należy poprzedzić prefiksem
LOCK, zwłaszcza, gdy mamy kilka procesorów chetnych
˛
do
majstrowania przy pamieci.
˛
Rodzina instrukcji SETcc ustawia podany rejestr bajtowy
na 0 lub 1 zależnie od wyniku porównania (a ściślej od
stanu flag). Przydatna dla operacji warunkowych, aby móc
wykonać je nieco później.
Miscelannea
Instrukcja LEA służy głównie do nadużyć (np. mnożenie
przez 5), rzadko jest używana zgodnie z pierwotnym
przeznaczeniem.
Dodawanie dwóch rejestrów, wynik w trzecim:
lea rax,[rdi + rsi]
Instrukcja RDRAND zwraca (jeśli mamy szcz˛eście)
gwarantowana˛ liczbe˛ losowa.
˛
Instrukcja NOP nic nie robi (ale z wdziekiem).
˛
Kiedyś
lubiana przez włamywaczy.
Zamiana
Instrukcja XCHG zamienia zawartość swoich argumentów.
Zastepuje
˛
trzy instrukcje MOV (lub XOR) i nie wymaga
dodatkowej komórki roboczej.
Może być używana do implementacji semaforów.
Instrukcja BSWAP odwraca kolejność bajtów w
argumencie.
Przydatna do realizacji przesłań sieciowych.
Szybka zmiana poziomu ochrony
Szybkie wołanie usług systemu operacyjnego = zmiana
miedzy
˛
poziomami ochrony 3 a 0
Para instrukcji SYSENTER, SYSEXIT
Para instrukcji SYSCALL, SYSRET
Przykład: if
if (x > 0)
z += x;
else
z++;
else:
koniec:
mov
cmp
jle
add
jmp
inc
eax,[x]
eax,0
else
[z],eax
koniec
[z]
Przykład: while
while (n > 0) {
z += z;
n--;
}
mov
cmp
jle
add
dec
jmp
koniec: mov
while:
eax,[z]
[n],0
koniec
eax,eax
[n]
while
[z],eax

Programowanie w asemblerze Architektura procesora

Transkrypt

Podobne dokumenty

Programowanie w asemblerze Linkowanie

Programowanie w asemblerze Uruchamianie programów

Programowanie w asemblerze Srodowiska 64

Programowanie w asemblerze Architektury równoległe

Programowanie w asemblerze Optymalizacja

Procesor

Programowanie w asemblerze Asembler i jego jezyk