Linguaggio macchina e linguaggio assembler

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1 FONDAMENTI DI INFORMATICA Prof. PIER LUCA MONTESSORO Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Udine Linguaggio macchina e linguaggio assembler 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 1

2 Nota di Copyright Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà dell autore prof. Pier Luca Montessoro, Università degli Studi di Udine. Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altro utilizzo o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampe) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte degli autori. L informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. L autore non assume alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slide. In ogni caso questa nota di copyright e il suo richiamo in calce ad ogni slide non devono mai essere rimossi e devono essere riportati anche in utilizzi parziali Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 2

3 Formato delle istruzioni gruppo modo di indirizzamento codice dell istruzione primo registro (se presente) secondo registro (se presente) In alternativa può contenere un offset scritto su 8 bit per le istruzioni di salto 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 3

4 Gruppi Trasferimento dati da e verso la memoria o tra registri codice 0 (00 2 ) Istruzioni aritmetico-logiche codice 1 (01 2 ) Input/output codice 2 (10 2 ) Istruzioni di controllo codice 3 (11 2 ) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 4

5 Modi di indirizzamento Operando immediato codice 1 (01 2 ), mnemonico I: la parola che segue l istruzione contiene il dato Indirizzo assoluto codice 2 (10 2 ), mnemonico A: la parola che segue l istruzione contiene l indirizzo del dato Indirizzo in registro codice 3 (11 2 ), mnemonico R: l indirizzo del dato è contenuto nel registro specificato 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 5

6 Gruppo trasferimento dati LDWI d X load word dddd0000 DATA(16) LDWA d A load word dddd0000 ADDR(16) LDWR d a load word ddddaaaa LDBI d X load byte dddd0000 DATA(8) LDBA d A load byte dddd0000 ADDR(16) LDBR d a load byte ddddaaaa STWA s A store word ssss0000 ADDR(16) STWR s a store word ssssaaaa STBA s A store byte ssss0000 ADDR(16) STBR s a store byte ssssaaaa MV s d move ssssdddd PUSH s push ssss0000 POP d pop dddd0000 SPRD d read SP ssss0000 SPWR s write SP ssss0000 s, d, a: codice del registro interessato (s = source, d = destination, a = address) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 6

7 Esempio LDWI R15 ABAC 0000 F AC 0003 AB registro 15 codice operativo indirizzo di memoria operando 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 7

8 Gruppo aritmetico-logiche ADD s d add ssssdddd SUB s d subtract ssssdddd NOT r bitwise NOT rrrr0000 AND s d bitwise AND ssssdddd OR s d bitwise OR ssssdddd XOR s d bitwise XOR ssssdddd INC r increment rrrr0000 DEC r decrement rrrr0000 LSH r left shift rrrr0000 RSH r right shift rrrr0000 s, d, r: codice del registro interessato (s = source, d = destination) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 8

9 Esempio registro R8 indirizzo di memoria SUB R8 R A registro R10 codice operativo 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 9

10 Gruppo input/output INW d A input word dddd0000 IN_ADDR INB d A input byte dddd0000 IN_ADDR OUTW s A out word ssss0000 OUT_ADDR OUTB s A out byte ssss0000 OUT_ADDR TSTI A test input IN_ADDR TSTO A test output OUT_ADDR TSTI e TSTO settano il flag Z a 1 (vero) se l operazione di I/O è stata completata; se il flag vale zero l operazione di I/O va ripetuta 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 10

11 Gruppo controllo BR A branch ADDR JMP f jump ffffffff JMPZ f jump if zero ffffffff JMPNZ f jump if not zero ffffffff JMPN f jump if negative ffffffff JMPNN f jump if not neg ffffffff JMPC f jump if carry ffffffff JMPV f jump if overflow ffffffff CALL A subroutine call ADDR RET return from sub HLT halt ffffffff = valore dell offset di salto (8 bit in complemento a 2) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 11

12 CALL e RET Fanno uso dello stack di sistema (tipo di dato astratto LIFO: Last-In-First-Out implementato mediante vettore) Analogia con una pila ( stack ) di piatti: si inserisce in cima alla pila e si preleva in ordine inverso a quello dell inserimento Operazioni PUSH (inserisce) POP (preleva) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 12

13 Stack di sistema PUSH POP stack pointer punta sempre alla prima posizione libera dello stack 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 13

14 Esempio PUSH (A75B) POP A75B SP = SP = 4 5B A SP = Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 14

15 Riepilogo linguaggio - In the following, uppercase symbols mean numbers, lowercase symbols mean registers. For example, 'A' could be 0x32F5, 'a' could be R12 - 'r', 's', 'd', and 'a' represent the code (0 to 15) of the register to be used: r = register (the value in the register will be read and modified) s = source (read only) d = destination (the value in the register will overwritten) a = (the value in the register will be used as a memory address) - The ffffffff value represents a memory offset, positive (forward branches) or negative (in 2's complement, for backword branches) - Most of the instructions of the data trasfer group work on memory data, addresses or registers: xxxi = data is stored in memory in the location immediately following the instruction code xxxa = the instrucion code in memory is followed by the data address xxxr = two registers are used: one to sore the data, and another one to store the memory address 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 15

16 Data transfer group: Fondamenti di Informatica - Linguaggio macchina e linguaggio assembler Riepilogo linguaggio assembly inst. name machine code action LDWI d X load word dddd0000 DATA(16) d <- X LDWA d A load word dddd0000 ADDR(16) d <- mem[a] LDWR d a load word ddddaaaa d <- mem[a] LDBI d X load byte dddd0000 DATA(8) d <- X LDBA d A load byte dddd0000 ADDR(16) d <- mem[a] LDBR d a load byte ddddaaaa d <- mem[a] STWA s A store word ssss0000 ADDR(16) mem[a] <- s STWR s a store word ssssaaaa mem[a] <- s STBA s A store byte ssss0000 ADDR(16) mem[a] <- s STBR s a store byte ssssaaaa mem[a] <- s MV s d move ssssdddd d <- s PUSH s push ssss0000 push (s) POP d pop dddd0000 d <- pop () SPRD d read SP ssss0000 d <- SP SPWR s write SP ssss0000 SP <- s 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 16

17 Riepilogo linguaggio Arithmetic-logic group: assembly inst. name machine code action (C operators) ADD s d add ssssdddd d <- d + s SUB s d subtract ssssdddd d <- d - s NOT r bitwise NOT rrrr0000 r <- ~r AND s d bitwise AND ssssdddd d <- d & s OR s d bitwise OR ssssdddd d <- d s XOR s d bitwise XOR ssssdddd d <- d ^ s INC r increment rrrr0000 r <- r + 1 DEC r decrement rrrr0000 r <- r + 1 LSH r left shift rrrr0000 r <- r << 1 RSH r right shift rrrr0000 r <- r >> Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 17

18 Riepilogo linguaggio Input/output group: assembly inst. name machine code action INW d A input word dddd0000 IN_ADDR(16) d <- read[a] INB d A input byte dddd0000 IN_ADDR(16) d <- read[a] OUTW s A out word ssss0000 OUT_ADDR(16) out[a] <- s OUTB s A out byte ssss0000 OUT_ADDR(16) out[a] <- s TSTI A test input IN_ADDR(16) if completed Z <- 1 else Z <- 0 TSTO A test output OUT_ADDR(16) if completed Z <- 1 else Z < Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 18

19 Riepilogo linguaggio Control group: assembly inst. name machine code action (C-like) BR A branch ADDR(16) PC <- A JMP F jump FFFFFFFF PC <- PC + F JMPZ F jump if zero FFFFFFFF if (z == 1) PC <- PC + F JMPNZ F jump if not zero FFFFFFFF if (z == 0) PC <- PC + F JMPN F jump if negative FFFFFFFF if (N == 1) PC <- PC + F JMPNN F jump if not neg FFFFFFFF if (N == 0) PC <- PC + F JMPC F jump if carry FFFFFFFF if (C == 1) PC <- PC + F JMPV F jump if overflow FFFFFFFF if (V == 1) PC <- PC + F CALL A subroutine call ADDR(16) push (SP); PC <- A RET return from sub PC <- pop() HLT halt halt 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 19

20 Z N C V LDWI d X load word D D - - LDWA d A load word D D - - LDWR d a load word D D - - LDBI d X load byte D LDBA d A load byte D LDBR d a load byte D STWA s A store word STWR s a store word STBA s A store byte STBR s a store byte MV s d move D D - - PUSH s push POP d pop D D - - SPRD d read SP D D - - SPWR s write SP ADD s d add D D D D SUB s d subtract D D D D NOT r bitwise NOT D D 0 0 AND s d bitwise AND D D 0 0 OR s d bitwise OR D D 0 0 XOR s d bitwise XOR D D 0 0 INC r increment D D D D DEC r decrement D D D D Fondamenti di Informatica - Linguaggio macchina e linguaggio assembler Istruzioni e flag Z N C V LSH r left shift D D D 0 RSH r right shift D D D 0 INW d A input word D D - - INB d A input byte D D - - OUTW s A out word OUTB s A out byte TSTI A test input D TSTO A test output D BR A branch JMP f jump JMPZ f jump if zero JMPNZ f jump if not zero JMPN f jump if negative JMPNN f jump if not neg JMPC f jump if carry JMPV f jump if overflow CALL A subroutine call RET return from sub HLT halt Legenda: D = dipende dal risultato - = non modificato 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 20

21 Assemblatore Programma che traduce il programma da linguaggio assembler a linguaggio macchina Traduce le istruzioni Ignora gli eventuali commenti Calcola gli indirizzi di salto Riserva spazio in memoria per i dati Fa uso di ETICHETTE e di speciali direttive 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 21

22 Esempio di programma in assembler ; somma N ( 3) numeri (su 8 bit) N: word 3 ; variabile N iniz. a 3 DATA: byte 5 ; primo numero byte 9 ; secondo numero byte 12 ; terzo e ultimo numero START: LDWA R1 N ; inizio del programma LDWI R2 DATA LDWI R10 0 ; azzera R10 LOOP: LDBR R11 R2 ; inizia il ciclo ADD R11 R10 ; somma al totale INC R2 ; passa al num. success. DEC R1 ; decrem. il contatore JMPNZ LOOP HALT ; in R10 c e` la somma 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 22

23 Esempio di programma in assembler ; somma N ( 3) numeri (su 8 bit) N: word 3 ; variabile N iniz. a 3 DATA: byte 5 ; primo numero byte 9 ; secondo numero byte 12 ; terzo e ultimo numero START: LDWA R1 N ; inizio del programma LDWI R2 DATA LDWI R10 0 ETICHETTA: ; azzera rappresenta R10 un LOOP: LDBR R11 R2 indirizzo ; inizia di memoria il ciclo il cui valore ADD R11 R10 ; somma al totale INC R2 numerico ; passa sarà calcolato al num. success. DEC R1 dall assemblatore ; decrem. il durante contatore la JMPNZ LOOP traduzione del programma in HALT linguaggio ; macchina R10 c e` la somma 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 23

24 Esempio di programma in assembler ; somma N ( 3) numeri (su 8 bit) N: word 3 ; variabile N iniz. a 3 DATA: byte 5 ; primo numero byte 9 ; secondo numero byte 12 ; terzo e ultimo numero START: LDWA R1 N ; inizio del programma LDWI R2 DATA LDWI Direttive R10 0 per riservare ; azzera spazio R10in LOOP: LDBR memoria R11 R2 per le variabili ; inizia e il ciclo ADD inizializzarne R11 R10 il valore: ; somma al totale INC R2 BYTE: riserva ; passa un byte al num. success. DEC R1 WORD: riserva ; decrem. 2 byteil contatore JMPNZ LOOP HALT ; in R10 c e` la somma 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 24

25 Esempio di programma in assembler ; somma N ( 3) numeri (su 8 bit) N: word 3 ; variabile N iniz. a 3 DATA: byte 5 ; primo numero byte 9 ; secondo numero byte 12 ; terzo e ultimo numero START: LDWA R1 N ; inizio del programma LDWI R2 DATA LDWI R10 0 ; azzera R10 LOOP: LDBR R11 R2 ; inizia il ciclo COMMENTI: ADD R11 R10 l assemblatore ; somma al totale ignora INC il R2 contenuto della ; passa riga a al num. success. partire DEC R1 dal punto e virgola ; decrem. il contatore (compreso) JMPNZ LOOP HALT ; in R10 c e` la somma 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 25

26 Programma in linguaggio macchina assembler indirizzo(h) contenuto(h) N: word DATA: byte byte byte C START: LDWA R1 N LDWI R2 DATA A B C 00 LDWI R D A0 000E F LOOP: LDBR R11 R B } indirizzo di N 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 26 } } } indirizzo DATA } PRIMA IL BYTE MENO SIGNIFICATIVO! } valore zero } segue

27 Programma in linguaggio macchina assembler indirizzo(h) contenuto(h) ADD R11 R BA INC R DEC R JMPNZ LOOP 0019 F6 001A C3 HALT 001B C CF } } } } } Indirizzo della prossima istruzione: 001B h Indirizzo di destinazione del salto (LOOP): 0011 h Offset del salto: 0011 h - 001B h = -000A h F6 h (in compl. a 2 su 8 bit) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 27

28 Esercizio Si scriva un programma in linguaggio macchina (in binario) per la lettura di una sequenza di caratteri da tastiera Si assuma che: la tastiera abbia indirizzo 0001 h la sequenza di caratteri venga terminata dall utente dal carattere carriage return, codice ASCII 0D h, e in memoria dal valore zero i caratteri letti vadano memorizzati in memoria a partire dall indirizzo 0100 h in 0000 h ci sia il puntatore alla sequenza in memoria (0100 h ) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 28

29 Soluzione (assembler) D_ADDR: word 0100 ; indirizzo di memoria dove iniziare ; a salvare i caratteri letti START: LDWA R0 D_ADDR ; carica l indirizzo (0100) in R0 LDBI R2 0D ; carica il codice ASCII di CR in R2 LOOP: INB R ; legge un carattere da tastiera TSTI 0001 ; la lettura e` stata eseguita? JMPNZ LOOP ; no: ripeti l istruzione di input MV R1 R3 ; salva in R3 il carattere letto SUB R2 R1 ; confronta con il codice ASCII di CR JMPZ END ; se Z=1 fine della sequenza di input STBR R3 R0 ; salva il carattere letto INC R0 ; incrementa il puntatore JMP LOOP ; passa al carattere successivo END: LDBI R3 0 ; carica il valore 0 in R3 STBR R3 R0 ; scrive 0 al termine della sequenza HALT 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 29

30 Soluzione (linguaggio macchina) assembler indirizzo(h) contenuto(h) D_ADDR: word } D_ADDR START: LDWA R0 D_ADDR } } ind. di D_ADDR LDBI R2 0D } D CR (ASCII ) LOOP: INB R A 81} B C 00} 1: ind. tastiera TSTI D E 84} F } 1: ind. tastiera JMPNZ LOOP 0011 F C3} segue 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 30

31 Soluzione (linguaggio macchina) assembler indirizzo(h) contenuto(h) MV R1 R SUB R2 R } JMPZ END C2} STBR R3 R A 33} INC R0 001B C 48} JMP LOOP 001D EA 001E C1} END: LDBI R F } valore zero STBR R3 R } HALT CF} } 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 31