Andrea Girlando

11_Insieme-di-istruzioni-macchina

Jan 03, 20268 min read

Questo file è la rielaborazione delle slide 11_Insieme-di-istruzioni-macchina.pdf

ISA

Le istruzioni elementari che un processore è in grado di eseguire sono definite nell’ISA (Instruction Set Architecture), queste istruzioni elementari vengono definite attraverso un alfabeto binario. Il linguaggio assemblativo (assembly) è una rappresentazione simbolica del linguaggio macchina. Esistono 2 grandi famiglie di ISA:

  • CISC (Complex Instruction Set Architecture): Basata su istruzioni complesse, che possono anche occupare più di una word di memoria.
  • RISC(Reduced Instruction Set Architecture): Basata su istruzioni semplici, con le istruzioni che al massimo occupano una word, di solito sono molto efficienti grazie all’utilizzo della pipeline
Memoria

Il calcolatore lavora su gruppi di bit detti Parole(word), ogni parola nella nostra memoria è associata ad un indirizzo binario univoco, parole consecutive sono associate ad indirizzi consecutivi. Un numero binario con bit potrà indirizzare al massimo indirizzi. L’unità minima di informazione indirizzabile in memoria è il byte, di solito i dati vengono immagazzinati in 2 modi diversi:

  • Big-endian(Crescente): memorizzazione/trasmissione che inizia dal byte più significativo (estremità più grande) per finire col meno significativo
  • Little-endian(Decrescente): memorizzazione/trasmissione che inizia dal byte meno significativo (estremità più piccola) per finire col più significativo.
Programmare in assembly

Il programmatore scrive i programmi in linguaggio assemblativo (assembly), che vengono tradotti in linguaggio macchina dall’assemblatore. Il codice risultante in linguaggio macchina viene poi eseguito direttamente dal processore.

Registri e locazioni di memoria

All’interno del nostro processore abbiamo diverse locazioni di memoria usate per immagazzinare dati di lavoro usati dalla CPU durante l’esecuzione delle istruzioni. Di solito i registri generici del processore vanno da: R0 ad Rn, abbiamo anche dei registri speciali come il PC (Program Counter) e IR (Istruction Register)

Istruzioni di base in assembly:
LOAD destinazione sorgente
STORE sorgente destinazione
ADD destinazione sorgente1 sorgente2
SUB destinazione sorgente1 sorgente2

Queste istruzioni fanno:

  • LOAD: carica un dato dalla memoria in un registro del processore
  • STORE: carica un dato presente in un registro di un processore in memoria
  • ADD: somma il contenuto di 2 registri
  • SUB: sottrae il contenuto di 2 registri

Nel linguaggio assemblativo, gli operandi e il risultato delle istruzioni possono essere espressi in modi diversi, i metodi con cui specificare operandi e risultato vengono chiamati modi di indirizzamento, i modi di indirizzamento base sono:

  • Modo immediato: specificando direttamente l’operando
    • Add R4, R6, #200
  • Modo di registro: indicando il nome del registro del processore
    • Load R2, R5
  • Modo assoluto: indicando l’indirizzo di una word in memoria
    • Load R2,
  • Indiretto da registro: indicando un registro con all’interno l’indirizzo della word in memoria
    • Load R2,(R5)
  • Con indice e spiazzamento: L’indirizzo effettivo di un operando è ottenuto prendendo l’indirizzo come nel caso “indiretto da registro” e sommandogli una costante
    • LOAD R2,20(R5)
  • Con base e indice: l’indirizzo effettivo è ottenuto sommando il contenuto di 2 registri.
Istruzione condizionale:
Branch_if condizione destinazione salto. 
Branch_if_[R2]>0 CICLO

Istruzione usata per saltare all’esecuzione di un’istruzione specifica nel caso la condizione di salto sia vera

Direttive di assemblatore

Per aiutare l’assemblatore nella traduzione del nostro programma in codice binario esistono le direttive all’assemblatore, queste non vengono tradotte in vero e proprio codice binario ma servono per dare delle informazioni utili all’assemblatore. Ne esistono di vario tipo:

NOME EQU valore_numerico
ORIGIN indirizzo_memoria
RESERVE spazio_in_byte
DATAWORD contenuto_da_assegnare
  • EQU: associa il valore numerico nome
  • ORIGIN: indica l’indirizzo di partenza dove inserire le istruzioni
  • RESERVE: indica all’assemblatore di riservare uno spazio di memoria espresso in byte
  • DATAWORD: Inizializza una word di memoria con il contenuto passato
Generiche istruzioni assembly:

Di solito le istruzioni di assembly seguono la seguente struttura: Inoltre l’assemblatore ci permette di denotare i numeri in diversi formati:

  • Binaria: %
    • Add R2, R3, #%01011101
  • Decimale: nessun prefisso
    • Add R2, R3, #93
  • Esadecimale: 0x
    • Add R2, R3,
Pila(Stack)

Per gestire gli aspetti fondamentali di un programma (le chiamate a funzione, allocazione dinamica, ecc…)assembly usa lo stack, questa è una struttura dati basata sul paradigma LIFO (Last In First Out), abbiamo un registro speciale del processore chiamato SP(Stack pointer) che punta alla cima della lista, in questa struttura dati si possono fare solo 2 operazioni:

  • PUSH: aggiunge un elemento in cima alla pila, di solito si implementa così:
Load Rj, (SP);prendo il valore dalla cima e lo salvo in Rj
Add SP, SP, #4;aumento l'indirizzo cosi da spostarmi alla nuova cima
  • POP: preleva un elemento dalla cima, di solito si implementa così:
Load Rj, (SP) 
Add SP, SP, #4
Funzioni

Una funzione anche detto sottoprogramma è una lista di istruzioni che eseguono un compito specifico e che possono essere richiamate in un qualsiasi momento durante l’esecuzione di un programma, la chiamata alla funzione viene fatta usando una funzione di salto detta Call Istruction, nella funzione invece per ritornare alla routine chiamate viene usata l’istruzione Return Istruction, l’indirizzo di rientro di una funzione viene salvato nel Link Register.

CALL Indirizzo
RETURN
  • CALL: chiama la funzione specificata seguendo questi 2 passi:
    1. Salva il contenuto del registro PC nel Link register
    2. Salta all’indirizzo di destinazione indicato nell’istruzione di chiamata
  • RETURN: salta all’indirizzo di rientro e lo fa salvando nel PC il contenuto del Link register

Per passare i parametri a queste funzioni ci sono 2 modi:

  • Tramite registri: il numero di dati è limitato al numero di registri
  • Tramite lo stack: il numero di dati è virtualmente illimitato

il blocco dello stack riservato ai sottoprogrammi si chiama Stack Frame, il Frame Pointer è il puntatore a questa area della memoria, dentro questa area dello stack troviamo molte informazioni come le variabili locali e i loro valori. Quando abbiamo delle chiamate a funzione annidate dobbiamo ricorda di salvare l’indirizzo del link register dentro la pila, in modo da sapere sempre dove ritornare. In alcune architetture questa cosa viene fatta in automatico.

Codifica delle istruzioni

Codice operativo

Il codice operativo o OpCode corrisponde alla procedura da mettere in esecuzione quando si deve eseguire un’istruzione

Le istruzioni in assembly possono cambiare in base all’architettura del processore, nel caso di una CPU a 32 bit possono essere usate le seguenti codifiche:

  • Formato con operandi in registri: In questo caso parliamo di istruzioni di questo tipo: ADD R1,R2,R3 dove:
    • I 15 bit più significativi vengono usati per gli indirizzi dei 3 registri (5 bit cadauno)
    • I restanti 17 bit per il codice operativo
  • Formato con operando immediato: in questo caso parliamo di istruzioni di questo tipo: ADD R1,R2,#5 dove:
    • 10 bit vengono usati per gli indirizzi dei registri,
    • 6 bit vengono usati per il codice operativo
    • 16 bit vengono usati per operando immediato
  • Formato per chiamata: in questo caso parliamo di istruzioni di questo tipo: CALL 0x00400010 dove:
    • 6 bit vengono usati per il codice operativo
    • 26 bit per rappresentare l’indirizzo della funzione da chiamare
Register Transfer Notation (RTN)

La notazione a trasferimento di registro serve a descrivere formalmente il trasferimento di informazioni tra memoria e registri. Il simbolo utilizzato è :

  • A sinistra troviamo un indirizzo di memoria
  • A destra troviamo un valore semplice o un’espressione
Istruzioni logiche
AND destinazione,sorgente1,sorgente2
OR destinazione,sorgente1,sorgente2
  • AND: fa un and tra le sorgenti
  • OR: fa un or tra le sorgenti
Scorrimenti e rotazioni

Scorrimento logico: Le operazioni di scorrimento logico fanno scorrere i bit di un registro a destra o a sinistra di n posizioni, i bit in uscita vengono persi, ad eccezione dell’ultimo bit che viene memorizzato nel bit di riporto c Scorrimento aritmetico: Lo scorrimento aritmetico verso destra funziona come quello logico, ma riempie le posizioni lasciate libere con il valore del bit più significativo Rotazione La rotazione è un’operazione di scorrimento dove i bit in uscita da un lato vengono fatti rientrare dall’altro. L’ultimo bit in uscita viene scritto nel bit di riporto c. Rotazione con riporto Nella rotazione con riporto il bit di riporto viene incluso nella sequenza di bit da ruotare. Nel caso di rotazione a sinistra il bit di riporto viene aggiunto alla sinistra dei bit del registro da ruotare. Nel caso di rotazione a destra il bit di riporto viene aggiunto alla destra dei bit del registro da ruotare

Altre istruzioni dell’assembly
LoadByte Rdst, LOCBYTE
StoreByte Rsrc, LOCBYTE
Multiply Rk, Ri, Rj
Divide Rk, Ri, Rj
  • LoadByte: legge un singolo byte dalla memoria e lo registra negli 8 bit meno significativi del registro destinazione mettendo a 0 gli altri bit
  • StoreByte: salva gli 8 bit meno significativi del registro sorgente nella locazione di memoria specificata
  • Multiply: effettua la moltiplicazione tra i due numeri contenuti nei registri
  • Divide: effettua la divisione tra due numeri in complemento a due contenuti in due registri
Istruzioni esclusive delle architteture CISC

DANGER

Le istruzioni scritte di seguito sono istruzioni esclusive di un architettura CISC

Istruzioni aritmetiche Questo tipo di istruzioni hanno un formato a 2 indirizzi, dove l’indirizzo di destinazione servirà sia da ingresso che anche da risultato.

Operazione destinazione, sorgente
ADD B,A

MOVE

Move destinazione, sorgente

L’istruzione Move permette il trasferimento di dati tra registri ed indirizzi di memoria Indirizzamento per autoincremento Nell’indirizzamento per autoincremento, l’indirizzo dell’operando è contenuto in un registro il cui nome viene specificato nell’istruzione. Alla fine dell’istruzione il contenuto del registro viene incrementato di un’unità. Può essere usata per eseguire l’operazione di Pop:

Move ELEMENTO, (SP)+

Indirizzamento per autodecremento Nell’indirizzamento per autoincremento, l’indirizzo dell’operando è contenuto in un registro il cui nome viene specificato nell’istruzione. Prima di eseguire l’istruzione, il contenuto del registro viene decrementato di un’unità. Può essere usata per eseguire l’operazione di Push:

Move -(SP), NUOVOELEMENTO
Bit di esito

sono bit speciali immagazzinati a in un registro interno al processore, e vengono usati per tenere traccia dell’esito di svariate operazioni. Quelli più comuni sono:

Graph View

Backlinks

  • No backlinks found