nivelul limbajului cod-mașină - cs.ucv.ro 10-2-nivelul limbajului cod-masina... · prin deplasare...

Arhitectura

Calculatoarelor

Cătălina Mancaș Dan Mancaș

[email protected] [email protected]

Universitatea din Craiova

Facultatea de Automatică, Calculatoare și Electronică

Catedra de Ingineria Calculatoarelor și Comunicații

Nivelul limbajului cod-mașină

Partea a II-a

ARHITECTURA CALCULATOARELOR – Nivelul limbajului cod-mașină

Patea I...

Arhitectura calculatoarelor;

Instrucţiunea la nivelul cod-mașină;

Formate de instrucţiuni;

Criterii de proiectare a formatelor de instrucţiuni;

Lungimea instrucţiunilor;

Noţiunea de metabit;

Formate de instrucţiuni ortogonale şi arhitecturi etichetate.

2

http://software.ucv.ro/~aion/index.html


Astăzi...

Clase de instrucţiuni la nivel cod maşină;

Clasa de instrucţiuni de transfer al datelor;

Clasa de instrucţiuni diadice;

Clasa de instrucţiuni monadice;

Clasa instrucţiunilor de I/O;

Clasa instrucţiunilor de control al ciclurilor;

Clasa instrucţiunilor de control ale CPU.

3



Clase de instrucţiuni la nivelul cod maşină

4


Clasa de instrucţiuni de transfer al datelor

5



Operații de transfer operații de copiere;

Copie: combinație identică de biți;

6 subclase:

1. încărcarea registrelor din memorie;

2. transferul din registru în memorie;

3. transferul din registru în registru;

4. transferul din memorie în memorie;

5. înscrierea în stivă;

6. citire (extragere) din stivă.

Definite prin locurile unde datele sunt păstrate în interiorulcalculatorului: în memorie, în registre (din CPU), stivă.

6




Operație de copiere => instrucțiune de duplicare a datelor;

Instrucțiunea de duplicare:

– identificarea sursei;

– identificarea destinaţiei;

– definirea volumului.

Format special: GPM (General Purpose Move).

7

Dată Copie Dată

Sursă Destinaţie

data path



Formatul GPM

Câmpuri pentru:

– sursă;

– destinaţie;

– nr. de Bytes;

– un indicator referitor la vectorul de stare.

Structură ortogonală: fiecare parametru este independentde ceilalţi;

Puţine procesoare au adoptat structura GPM;

Lungime mare => necesită un volum mare de memorie.

8



Exemple de instrucţiuni de transfer

La procesorul I8080:

– Instrucţiunea LOAD (LDA);

– Instrucţiunea STORE (STA);

– Instrucţiuni de transfer între registre;

– Instrucţiuni de transfer din memorie în registru;

– Instrucţiuni de transfer din registru în memorie;

– Instrucţiuni de transfer imediat de dată în registru;

– Instrucţiuni de transfer imediat de dată în memorie.

9



Instrucţiunea LOAD (LDA)

Memorie -> ACC;

Este o instrucţiune pe 3 octeţi;

Octeţii 2 şi 3 precizează adresa de memorie (pe 16 biţi);

Adresa destinaţiei - ACC (la I8080 se notează A) nu se dă, este subînţeleasă;

Opcode-ul instrucţiunii: 3A în hexa;

Forma generală:LDA Adresă (A) ((octet 3)(octet 2));

10

0011 1010

(Adr. Inf)

octet 2

(Adr. Sup)

octet 3

3 locaţii

3AOPCODE

ADR



ACC -> Memorie;


Octeţii 2 şi 3 precizează adresa de memorie (pe 16 biţi) unde se va depune conţinutul ACC;

Forma generală: STA Adresă ((octet3)(octet2)) (A);

11

0011 0010

(Adr. Inf)

octet 2

(Adr. Sup)

octet 3

3 locaţii

32OPCODE

ADR

Instrucţiunea STORE (STA)



Instrucţiuni de transfer între registre

Procesorul I8080: registre;

12

A PSW

B C

D E

H L

SP

PC

RI

8 biti

16 biti

8 biti 8 biti 16 biți:

BC, DE, HL;

SP – Stack Pointer

PC – Program Counter;

8 biți:

A – Accumulator;

RI – Registrul Instrucțiune;

B, C, D, E, H, L;

5 biți:

PSW – Program Status Word;

Flags: C, Z, S, P, AC.



Instrucţiuni de transfer între registre

MOV R1, R2 (R1) (R2)

Instrucţiune pe un singur octet;

Ocupă o locaţie de memorie;

13

SursăDestinaţie

01 DDD SSS

adresă

registru

destinaţie

adresă

registru

sursăDDD sau SSS Registru

111 A

000 B

001 C

010 D

011 E

100 H

101 L



MOV R, M (R) ((H) (L))

Transferă data din memorie, din locaţia precizată deadresa furnizată de perechea (HL), în registrul precizat îninstrucţiune, adică subcâmpul DDD.

Instrucţiunea este pe un octet;

Această instrucţiune adresează memoria indirect prin perechea de registre (HL).

14

SursăDestinaţie

01 DDD 110

adresă

registru

destinaţie

identificator

memorie

OPCODE

Instrucţiuni de transfer memorie-registru



Instrucţiuni de transfer registru-memorie

MOV M, R ((H) (L)) (R)

Transferă data din registrul desemnat în instrucţiune (R) înmemorie, la locaţia cu adresa desemnată prin conţinutulperechii de registre (HL);

Instrucţiunea este pe un octet;

Această instrucţiune adresează memoria indirect prinperechea de registre (HL).

15

01 110 SSS

identificator

memorie

adresă

registru

sursă



Instrucţiuni de transfer imediat de dată în registru;

MVI R, DATA (R) DATA

Realizează transferul imediat de dată în registrul specificat;


Al doilea octet îl reprezintă data imediată.

16

Instrucţiuni de transfer imediat de dată

00 DDD 110 DATA



Instrucţiuni de transfer imediat de dată în memorie.

MVI M, DATA ((H) (L)) DATA

Realizează transferul imediat de dată într-o locaţie dememorie;

Data imediată ce însoţeşte instrucţiunea se poate transferaîntr-o locaţie de memorie a cărei adresă este specificată deperechea de registre (HL);


Al doilea octet îl reprezintă data imediată.

17

Instrucţiuni de transfer imediat de dată

00 110 110 DATA



Clasa de instrucţiuni diadice

18


Exemple de instrucţiuni diadice

Instrucţiunile de prelucrare de natură aritmetică şi logică încare intervin 2 operanzi;

La procesorul I8080:

– Adunarea între ACC şi un registru;

– Adunare cu operand din memorie;

– Adunare cu registru şi transport;

– Adunare cu data din memorie şi transport;

– Instrucţiunea AND cu registru;

– Instrucţiunea AND cu memoria;

– Instrucţiunea XOR cu registrul;

– Intrucţiunea XOR cu memoria.

19



Adunarea între ACC şi un registru

Un operand se află în acumulator, iar celălalt operand înregistrul R;

Rezultatul se depune în ACC;

Este o instrucţiune pe un singur octet;

ADD R (A) (A) + (R);

20

10 000 SSS

adresă

registru

sursă



Adunare cu operand din memorie

Se adună conţinutul ACC cu operandul existent înmemorie, în locaţia desemnată de perechea de registre (HL);

Suma se depune în ACC;

ADD M (A) (A) + ((H) (L));

110 desemnează memoria;

Adresare indirectă prin perechea (HL).

21

10 000 110 86



Adunare cu registru şi transport

Unul dintre indicatorii de stare e indicatorul de transport"carry" (C);

Se adună conţinutul ACC cu cel al registrului desemnat îninstrucţiune prin SSS şi bitul de transport ce se află în PSW(C), rezultatul se depune în ACC;

ADC R (A) (A) + (R) + (C)

Observaţie: Asemănător se definesc şi operaţiile descădere.

22

10 001 110



Instrucţiunea AND

Funcţie logică;

Are rolul de a extrage o parte din biţii unui operand;

Pentru aceasta se foloseşte o mască;

Masca conţine 1 pe rangul biţilor ce trebuie extraşi;

Exemplu: 10100101, şi dorim să extragem ultimii 3 biţi:

10100101

00000111 -> masca

-------------- AND

00000101

Instrucţiunea AND instrucţiune de mascare.

23



Instrucţiunea OR

Asigură introducerea de noi biţi într-un operand;

Exemplu: 00001101;

Se cere inserţia de 3 de 1 în primele 3 ranguri;

Se adoptă masca 1110000:

00001101

11100000 -> masca;

-------------- OR

11101101

24



Instrucţiunea XOR

10101101

10100110

-------------- XOR

00001011

Operaţia OR creşte numărul de 1;

AND scade numărul de 1;

Prin XOR, în medie, numărul de 1 rămâne acelaşi.

25



Instrucţiunea AND cu registru

Se realizează operaţia AND între conţinutul ACC şiconţinutul registrului R specificat direct în instrucţiune;

După realizarea acestei operaţii, indicatorul de stare detransport, în mod obligatoriu, se fixează pe 0.

ANA R (A) (A) ∩ (R)

(C) 0

Formatul în cod maşină este:

26

10 100 SSS



Instrucţiunea AND cu memoria

Se realizează operaţia AND între conţinutul ACC şiconţinutul unei locaţii de memorie specificată implicit princonţinutul perechii de registre (HL);

ANA M (A) (A) ∩ ((H)(L))

(C) 0


A6

27

10 100 110



Instrucţiunea XOR cu registrul

Se face XOR între conţinutul ACC şi cel al unui registru;

Rezultatul se trimite în ACC;

Obligatoriu, indicatorul C e resetat, adică adus în 0;

XRA R (A) (A) ⊕ (R)

(C) 0


28

10 101 SSS



Instrucţiunea XOR cu memoria

Se face XOR între conţinutul ACC şi cel al unei locaţii dememorie ce este desemnată indirect prin conţinutulperechii de registre (HL);

Obligatoriu, indicatorul de stare C e resetat, adică adus în0;

XRA M (A) (A) ⊕ ((H)(L))

(C) 0


AE

29

10 101 110



Clasa de instrucţiuni monadice

30


Instrucțiuni monadice

Instrucţiuni de procesare cu un operand;

Lipseşte al doilea operand => instrucţiuni mai scurte;

Conţine:

– instrucţiuni de complementare;

– instrucţiuni de deplasare stânga/dreapta;

– instrucţiuni de rotire stânga/dreapta;

– instrucţiuni de incrementare;

– instrucţiuni de decrementare.

31




O importanţă deosebită o au instrucţiunile dedeplasare;

Fie un operand pe 8 biţi: 10101010;

Prin deplasare la dreapta bitul cel mai din dreapta sepierde;

Prin stânga se poate insera 0 sau 1:

– Deplasarea dreapta cu inserţie de 0: 01010101

– Deplasarea dreapta cu inserţie de 1: 11010101

Există instrucţiuni de deplasare dreapta aritmetică undeprin deplasare, msb-ul se conservă;

Exemplu: operandul 10101010, prin deplasare dreaptaaritmetică se obţine 11010101.

32




În cazul rotirii bitul care iese se reinscrie în cealaltă extremitate;

Exemplu:

10101010 prin rotire dreapta 01010101

10101010 prin rotire stânga 01010101

Proprietate: Dacă operandul e pe n biţi atunci o rotire dreaptacu k biţi e echivalentă cu o rotire stânga cu (n-k) biţi;

Observaţie: De aceea nu toate repertoriile de instrucţiuni includambele rotiri;

Instrucţiunile de deplasare sunt foarte utile pentru operaţilearitmetice pentru înmulţire, împărţire, ridicare la putere sauradical;

O deplasare stânga e echivalentă cu o înmulţire cu 2, iar odeplasare dreapta este echivalentă cu o împărţire la 2.

33



Clasa instrucţiunilor de comparaţie şi salt

34


Instrucţiuni de comparaţie şi salt

Toate programele necesită să modifice fluxul de execuţie(control);

Exemplu: realizarea rădăcinii pătrate;

Mai înâi se testează semnul lui N;

– Dacă N<0 atunci operaţia nu are loc şi se lansează rutina

EROARE;

– Dacă N>0 atunci operaţia are loc şi se lansează subrutina

RADICAL.

Operație: salt condiţionat;

Metodă: ramificare condiţionată;

Se testează mai întâi o condiţie şi dacă e îndeplinită are locsaltul la o adresă particulară de memorie.

35




Uneori, în instrucţiune există un subcâmp de 1 bit carestabileşte logica testului (condiţie adevărată sau falsă);

Fals: salt la o anumită adresă de memorie;

Cea mai simplă metodă de test: este de a evaluaindicatorii de stare, indicatori de condiţie saufanioane (flags) din CPU;

Flag-uri uzuale:

– indicatorul de zero: Z;

– indicatorul de paritate: P;

– indicatorul de transport: C;

– indicatorul de depăşire: OV (overflow);

– indicatorul de semn: S.

36




Testarea se poate realiza şi prin compararea a douăcuvinte;

Se testează dacă sunt egale (egalitatea) sau dacă unul emai mare ca altul (inegalitatea);

Instrucţiunile de comparare sunt prezente în majoritatearepertoriilor de instrucţiuni;

Ele permit şi realizarea unor funcţii de sortare;

Rezultatul comparării: biţi de condiţie -> testaţi;

Condiţie este indeplinită: salt la adresa specificată dememorie;

Observaţii:

La compararea numerelor trebuie să se ţină cont de semnul lor;

Există şi instrucţiuni de salt necondiţionat: un caz particular desalturi condiţionate, unde condiţia este îndeplinită întotdeauna.

37



Salt necondiţionat

Adresa se încarcă în PC;


Octeţii 2 şi 3 reprezintă adresa de salt;

Octelul 3 este partea cea mai semnificativă;

Octetul 2 este partea cea mai puţin semnificativă a adresei;

Reuniunea celor doi octeţi: 3 şi 2 se transferă în PC.

JMP Adresă (PC) ((octet 3) (octet 2))

3 locaţii

38

11000011

(Adr. Inf) octet 2

(Adr. Sup) octet 3



Salt condiţionat

Se testează condiţia specificată;

Dacă este îndeplinită: salt la adresa dată în instrucţiune;


Octeţii 2 şi 3 reprezintă adresa de salt;

Condiţia de test apare implicit în primul octet, adică înOPCODE;

Condiţiile sunt codificate în instrucţiune prin 3 biţidesemnaţi CCC.

if (CCC) then

PC ((octet 3) (octet 2))

39



Salt condiţionat

40

11CCC011

(Adr. Inf) octet 2

(Adr. Sup) octet 33 locaţii

CCC Condiţie

000 NZ NOT ZERO (Z=0)

001 Z ZERO (Z=1)

010 NC NO CARRY (C=0)

011 C CARRY (C=1)

100 PO PARITY ODD (P=0)

101 PE PARITY EVEN (P=1)

110 P PLUS (S=0)

111 M MINUS (S=1)



Salt condiţionat

Pentru implementarea operaţiilor de comparare repertoriulde instrucţiuni conţine şi instrucţiuni de comparaţie;

Comparaţia se face prin scădere;

După efectuarea scăderii se poate determina dacă cei doioperanzi sunt egali atunci rezultatul este zero, şi deciindicatorul Z se activează (devine 1).

Dacă rezultatul este negativ atunci primul operand estemai mic decât al doilea şi se activează indicatorul de starede transport (C).

41



Comparaţia cu registrul

Se compară conţinutul registrului cu ACC;

Registrul este desemnat în OPCODE;

Operaţia de comparare: se scade din conţinutul ACCconţinutul registrului desemnat;

După operaţie ACC rămâne nemodificat, dar se modificăindicatorii de stare;

Dacă cei 2 operanzi sunt egali, atunci se setează Z şi dacăACC e mai mic decît conţinutul registrului atunci se seteazăC.

42



Comparaţia cu registrul

CMP R;

(A) - (R) => (A) nemodificat

dacă (ACC)=(R) => (Z)=1

dacă (ACC)<(R) => (C)=1

43

10111 SSS



Comparaţia cu dată imediată

Se compară conţinutul ACC cu un octet ce se dă explicit îninstrucţiune, deci dată imediată;

Data se dă în instrucţiune, în cel de-al doilea octet;

Instrucţiunea este pe 2 octeţi;

CPI DATA;

(A) - (octet 2) => (A) nemodificatdacă (ACC)=DATA => (Z) =1

dacă (ACC)<DATA => (C)=1

FE

44

11111110

DATA

Octet 2



Comparaţia cu memoria

Se compară conţintul ACC cu conţinutul locaţiei dememorie desemnată implicit prin conţinutul perechii deregistre (HL);

Comparaţia se face prin scădere.

CMP M;

(A) - ((H)(L)) => (A) nemodificat

dacă (ACC)=((H)(L)) => (Z)=1

dacă (ACC)< ((H)(L)) => (C)=1

BE

45

10111 110



Clasa instrucţiunilor de apel de proceduri

46


Instrucţiuni de apel de proceduri

Procedura (subrutină): un grup de instrucţiuni cereprezintă o anumită sarcină de calcul şi poate fi invocatădin diferite puncte ale programului în execuţie;

După ce procedura îşi încheie execuţia trebuie să aibă locrevenirea după apelul procedurii;

Adresele de revenire în programul apelant (principal)trebuie memorate;

3 locuri unde adresa de revenire poate fi plasată: înmemorie, în registru sau în stivă;

Cel mai bun procedeu este de a memora adresa derevenire (retur) în stivă.

47



Instrucţiuni de apel de proceduri

La execuţia instrucţiunii de apel (de regulă esteinstrucţiunea CALL) are loc înscrierea în vârful stivei aadresei de revenire în programul apelant;

Atunci când procedura este terminată (sarcina de calcul afost îndeplinită), procedura execută o instrucţiune derevenire RETURN, prin care citeşte vârful stivei şi-ldirijează spre PC;

Are loc un salt la adresa impusă reprezentând punctul derevenire în programul apelant;

Procedeul folosirii stivei este foarte răspândit în specialpentru că asigură implementarea recurenţei;

Definiţie: Abilitatea unei proceduri de a se autoapela senumeşte recurenţă.

48



Clasa instrucţiunilor de control al ciclurilor

49


Instrucţiuni de control al ciclurilor

Necesitate: execuţia unui grup de instrucţiuni de un anumitnumăr de ori predeterminat;

Implicit: existenţa unui numărător ce funcţionează cu rolulde contor al execuţiei ciclurilor;

După fiecare parcurgere a grupului de instrucţiuni se dă ocomandă de incrementare sau decrementare anumărătorului de buclă;

Când se ajunge la valoarea 0 sau la o valoarepredeterminată, se dă comanda de ieşire din buclă;

Deci, la fiecare parcurgere a grupului se testează şinumărătorul;

Dacă condiţia este îndeplinită atunci execuţia buclei seîncheie;

Procesorul I8080 nu are astfel de instrucţiuni.

50



Clasa instrucţiunilor de I/O

51


Instrucţiuni I/O

Este clasa cu cea mai mare varietate între diferitele tipuride CPU-uri;

Instrucţiuni explicite de I/O şi cele care nu au instrucţiunispecifice de I/O.

Cea mai simplă metodă: instrucţiuni ce asigură transferulunui singur octet;

Instrucţiunea INPUT: permite transferul unui singur octetdintr-un port de intrare (ce trebuie desemnat îninstrucţiune) şi ACC;

Instrucţiunea OUTPUT: asigură transferul unui singur octetdin ACC într-un port de ieşire, desemnat prin numărul său(adresă) în instrucţiune.

52



Instrucţiunea Input

Se citeşte conţinutul portului de intrare (1 octet);

Se depune pe DATA BUS;

Se transferă în ACC;

IN port (A) (port)

DB

53

11011011

Nr. de port2 locaţii



Instrucţiunea Output

Conţinutul ACC (1 octet) se depune pe DATA BUS (pe 8biţi) şi se trimite în portul de ieşire desemnat;

Aici se înscrie o copie a ACC;

OUT port (port) (A)

D3

54

11010011

Nr. de port2 locaţii



Clasa instrucţiunilor de control ale CPU

55


Instrucţiuni de control

Sunt instrucţiuni specifice fiecărui CPU;

Pentru administrarea internă;

În mare se regăsesc în toate repertoriile;

De exemplu, instrucţiunea HALT care asigură oprireafuncţionării CPU;

Grupul EI (Enable Interrupt) şi DI (Disable Interrupt)asigură activarea/dezactivarea sistemului de întreruperi;

Instrucţiunea NOP este utilă pentru definirea unor cuantede timp.

56


nivelul limbajului cod-mașină - cs.ucv.ro 10-2-nivelul limbajului cod-masina... · prin deplasare...

Documents