Il linguaggio del calcolatore: linguaggio macchina e linguaggio assembly

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1 Il linguaggio del calcolatore: linguaggio macchina e linguaggio assembly Ingegneria Meccanica e dei Materiali Università degli Studi di Brescia Prof. Massimiliano Giacomin

2 ORGANIZZAZIONE DEL CALCOLATORE: RICHIAMI Periferia (insieme delle periferiche) sottosistema di ingresso-uscita sottosistema unità centrale-memoria interfaccia di ingresso-uscita interfaccia di ingresso-uscita unità centrale memoria centrale bus di sistema Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 2

3 Programma e dati in memoria: rivisitazione Indirizzo MEMORIA zona della memoria che contiene le istruzioni zona della memoria che contiene i dati (numeri, caratteri, testi, immagini ) Istruzioni: come sono codificate? Abbiamo già visto come sono codificati Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 3

4 Il linguaggio macchina (richiami) Linguaggio macchina: costituito da istruzioni macchina, eseguite dalla CPU Ogni CPU ha un proprio linguaggio macchina (ISA Instruction Set Architecture): per esempio, le istruzioni dei processori Intel X86 sono diverse da quelle del processore MIPS - esistono CPU di marca diversa con diversa struttura fisica che risultano compatibili (es. Intel e AMD) Le istruzioni del linguaggio macchina sono costituite da stringhe di bit, suddivise in: Codice operativo à tipo istruzione Operandi à indicano i dati su cui l istruzione opera (sorgenti) e dove memorizzare il risultato (destinazione) operandi Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 4

5 Codice operativo Il processore è in grado di eseguire molti tipi di istruzioni: add, sub, lw, sw, j, beq, Ad ogni tipo di istruzione viene assegnato un codice binario operandi 0000 add 0001 sub 0010 addi 1000 lw 1001 sw Quanti bit sono necessari per il? Dipende dal numero delle istruzioni disponibili! Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 5

6 Operandi Ogni istruzione opera su un certo numero di operandi Ciascun operando può essere: - operando sorgente o destinazione e - immediato, operando, operando in memoria ESEMPI add $r1, $r3, $r4 sorgente sorgente destinazione addi $r1, $r3, 7 sorgente sorgente destinazione Il (add, addi, ) determina: - quanti operandi - di che tipo Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 6

7 ESEMPI add $r1, $r3, $r Supponiamo indichi istruzione add Destinazione: Sorgente1: Sorgente2: addi $r1, $r3, Supponiamo indichi istruzione addi Destinazione: Sorgente1: Sorgente2: immediato Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 7

8 Ogni operando può essere: 1) Una costante indicata nel campo dell istruzione (immediato) ESEMPIO addi $r1, $r3, 7 Destinazione: Sorgente1: Sorgente2: immediato Supponiamo indichi istruzione addi Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 8

9 2) Un dell unità centrale (operando ) $r0 $r1 $r2 $r3 $r Ognuno è indicato da un numero univoco Per indicare un (in un campo): codifica binaria 0010 indica $r2 quanti bit servono? Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 9

10 Un esempio ipotetico di codifica addi $r1, $r3, 7 \\ $r1 = $r Destinazione: Sorgente1: Sorgente2: immediato Supponiamo indichi istruzione addi $r1 $r3 7 Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 10

11 Un altro esempio di codifica (con operandi ) sub $r0, $r1, $r7 \\ $r0 = $r1-$r operandi destinazione sorgente1 sorgente Supponiamo indichi istruzione sub $r0 $r1 $r7 Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 11

12 Ogni operando può essere anche: 3) Una parola della memoria centrale (operando in memoria) Memoria ESEMPIO lw $r1, $r2, lw $r1 $r2 4 Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 12

13 Linguaggio macchina vs. Linguaggio assembly Codice macchina di una procedura che calcola e stampa la somma dei quadrati degli interi fra 0 e Traduzione: programma chiamato assemblatore Codice assembly di una procedura che calcola e stampa la somma dei quadrati degli interi fra 0 e 100 addiu $sp, $sp, -32 sw $ra, 20($sp) sw $a0, 32($sp) sw $zero, 24($sp) sw $zero, 28($sp) Ciclo: lw $t6, 28($sp) lw $t8, 24($sp) mul $t7, $t6, $t6 addiu $t0, $t6, 1 slti $at, $t0, 101 sw $t0, 28($sp) mflo $t7 addu $t9, $t8, $ta3 bne $at, $zero, Ciclo sw $t9, t8($sp) lui $a0,4096 lw $a1, 24($sp) jal Proc addiu $a0, $a0, 1072 lw $ra, 20($sp) addiu $sp, $sp, 32 jr $ra move $2, $0 Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 13

14 Il linguaggio assembly Usare direttamente il formato binario per scrivere (e leggere) programmi sarebbe impraticabile si usa il linguaggio assembly (o assembler) Il linguaggio assembly è la rappresentazione simbolica della codifica binaria usata dal calcolatore (linguaggio macchina) L assembly è più leggibile: utilizza codici operativi simbolici (anziché bit) che richiamano direttamente il significato di una istruzione (p.es. ADD al posto di 0001) permette l utilizzo di etichette per identificare gli indirizzi di parole di memoria che contengono istruzioni (e anche dati) Assemblatore: traduce linguaggio assembler in linguaggio macchina Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 14

15 1. Pull along perforation to separate card 2. Fold bottom side (columns 3 and 4) together Jump Register jr R PC=R[rs] 0 / 08 hex R[rt]={24 b0,m[r[rs] Load Byte Unsigned lbu I 24 +SignExtImm](7:0)} (2) hex Load Halfword R[rt]={16 b0,m[r[rs] lhu I 25 Unsigned +SignExtImm](15:0)} (2) hex 1 ARITHMETIC Load Linked CORE ll INSTRUCTION I R[rt] = SET M[R[rs]+SignExtImm] (2,7) 2 OPCODE 30 hex Load Upper Imm. lui I R[rt] = {imm, 16 b0} / FMT f M I P S hex /FT Reference Data FOR- / FUNCT Load Word lw I R[rt] = M[R[rs]+SignExtImm] (2) 23 NAME, MNEMONIC MAT OPERATION (Hex) hex CORE INSTRUCTION SET OPCODE Branch Nor On FP True bc1t nor FIRif(FPcond)PC=PC+4+BranchAddr R[rd] = ~ (R[rs] R[rt]) (4) 011/8/1/-- / 27 UN ESEMPIO hex FOR- / FUNCT Branch Or On FP False bc1f or FIRif(!FPcond)PC=PC+4+BranchAddr(4) R[rd] = R[rs] R[rt] 011/8/0/-- / 25 hex NAME, MNEMONIC MAT OPERATION (in Verilog) (Hex) Divide Or Immediate div ori R I Lo=R[rs]/R[rt]; R[rt] = ZeroExtImm Hi=R[rs]%R[rt] (3) 0/--/--/1a d hex Add add R R[rd] = R[rs] + R[rt] (1) 0 / 20 Divide Unsigned divu R Lo=R[rs]/R[rt]; Hi=R[rs]%R[rt] (6) 0/--/--/1b hex Set Less Than slt R R[rd] = (R[rs] < R[rt])? 1 : 0 0 / 2a FP Add Single add.s FR F[fd ]= F[fs] + F[ft] 11/10/--/0 hex Add Immediate addi I R[rt] = R[rs] + SignExtImm (1,2) 8 hex FP Set Add Less Than Imm. slti I {F[fd],F[fd+1]} R[rt] = (R[rs] < = SignExtImm)? {F[fs],F[fs+1]} 1 : + 0 (2) a hex Add Imm. Unsigned addiu I R[rt] = R[rs] + SignExtImm (2) 9 hex Double Set Less Than Imm. add.d FR R[rt] = (R[rs] < SignExtImm) 11/11/--/0 sltiu I {F[ft],F[ft+1]} b Add Unsigned addu R R[rd] = R[rs] + R[rt] 0 / 21 hex FP Compare Unsigned Single c.x.s* FR FPcond = (F[fs]? 1 op : 0 F[ft])? 1 : 0 (2,6) hex 11/10/--/y FP Set Compare Less Than Unsig. sltu R And and R R[rd] = R[rs] & R[rt] 0 / 24 FPcond R[rd] = (R[rs] ({F[fs],F[fs+1]} < R[rt])? 1 op : 0 (6) 0 / 2b hex hex c.x.d* FR 11/11/--/y Double Shift Left Logical sll R R[rd] = R[rt] {F[ft],F[ft+1]}) << shamt? 1 : 0 0 / 00 hex And Immediate andi I R[rt] = R[rs] & ZeroExtImm (3) c hex * (x is eq, lt, or le) (op is ==, <, or <=) ( y is 32, 3c, or 3e) Shift Right Logical srl R R[rd] = R[rt] >> shamt 0 / 02 if(r[rs]==r[rt]) FP Divide Single div.s FR F[fd] = F[fs] / F[ft] 11/10/--/3 hex Branch On Equal beq I 4 PC=PC+4+BranchAddr (4) hex FP Divide {F[fd],F[fd+1]} M[R[rs]+SignExtImm](7:0) = {F[fs],F[fs+1]} = Store Byte sb / div.d FR I 28 R[rt](7:0) (2) 11/11/--/3 hex if(r[rs]!=r[rt]) Double {F[ft],F[ft+1]} Branch On Not Equal bne I 5 PC=PC+4+BranchAddr (4) hex FP Multiply Single mul.s FR F[fd] M[R[rs]+SignExtImm] = F[fs] * F[ft] = R[rt]; Store Conditional sc I 11/10/--/2 38 R[rt] = (atomic)? 1 : 0 (2,7) hex Jump j J PC=JumpAddr (5) 2 FP Multiply {F[fd],F[fd+1]} = {F[fs],F[fs+1]} * hex mul.d FR 11/11/--/2 Double M[R[rs]+SignExtImm](15:0) {F[ft],F[ft+1]} = Store Halfword sh I 29 Jump And Link jal J R[31]=PC+8;PC=JumpAddr (5) 3 hex R[rt](15:0) (2) hex FP Subtract Single sub.s FR F[fd]=F[fs] - F[ft] 11/10/--/1 Jump Register jr R PC=R[rs] 0 / 08 hex FP Store Subtract Word sw I {F[fd],F[fd+1]} M[R[rs]+SignExtImm] = {F[fs],F[fs+1]} = R[rt] - (2) 2b hex sub.d FR 11/11/--/1 R[rt]={24 b0,m[r[rs] Double Subtract sub R R[rd] = R[rs] - R[rt] {F[ft],F[ft+1]} (1) 0 / 22 hex Load Byte Unsigned lbu I 24 +SignExtImm](7:0)} (2) hex Load Subtract FP Single Unsigned lwc1 subu I RF[rt]=M[R[rs]+SignExtImm] R[rd] = - R[rt] (2) 31/--/--/-- 0 / 23 hex Load Halfword R[rt]={16 b0,m[r[rs] Load FP F[rt]=M[R[rs]+SignExtImm]; (2) lhu I 25 ldc1 (1) May I cause overflow exception 35/--/--/-- Unsigned +SignExtImm](15:0)} (2) hex Double (2) SignExtImm F[rt+1]=M[R[rs]+SignExtImm+4] = { 16{immediate[15]}, immediate } Move From Hi mfhi (3) ZeroExtImm R R[rd] = { Hi 16{1b 0}, immediate } 0 /--/--/10 Load Linked ll I R[rt] = M[R[rs]+SignExtImm] (2,7) 30 hex Move From Lo mflo (4) BranchAddr R R[rd] = { Lo 14{immediate[15]}, immediate, 2 b0 0 /--/--/12 } Load Upper Imm. lui I R[rt] = {imm, 16 b0} f hex Move From Control mfc0 (5) JumpAddr R R[rd] = = { CR[rs] PC+4[31:28], address, 2 b0 } 10 /0/--/0 Load Word lw I R[rt] = M[R[rs]+SignExtImm] (2) 23 hex Multiply mult (6) Operands R {Hi,Lo} considered = R[rs] unsigned * R[rt] numbers (vs. 2 s comp.) 0/--/--/18 (7) Atomic test&set pair; R[rt] = 1 if pair atomic, 0 if not atomic Nor nor R R[rd] = ~ (R[rs] R[rt]) 0 / 27 Multiply Unsigned multu R {Hi,Lo} = R[rs] * R[rt] (6) 0/--/--/19 hex Shift BASIC Right INSTRUCTION Arith. sra FORMATS R R[rd] = R[rt] >>> shamt 0/--/--/3 Or or R R[rd] = R[rs] R[rt] 0 / 25 hex Store FP RSingle opcodeswc1 rsi M[R[rs]+SignExtImm] rt rd = F[rt] shamt (2) 39/--/--/-- funct Or Immediate ori I R[rt] = R[rs] ZeroExtImm (3) d hex Store FP M[R[rs]+SignExtImm] = 10 F[rt]; 6(2) 5 0 sdc1 I 3d/--/--/-- Set Less Than slt R R[rd] = (R[rs] < R[rt])? 1 : 0 0 / 2a hex Double I opcode rs M[R[rs]+SignExtImm+4] rt = immediate F[rt+1] Set Less Than Imm. slti I R[rt] = (R[rs] < SignExtImm)? 1 : 0 (2) a hex Set Less Than Imm. R[rt] = (R[rs] < SignExtImm) sltiu I b Unsigned? 1 : 0 (2,6) hex Set Less Than Unsig. sltu R R[rd] = (R[rs] < R[rt])? 1 : 0 (6) 0 / 2b hex Shift Left Logical sll R R[rd] = R[rt] << shamt 0 / 00 hex MIPS Reference Data Card ( Green Card ) 1. Pull along perforation to separate card 2. F Shift Right Logical srl R R[rd] = R[rt] >> shamt 0 / 02 hex Store Byte sb I M[R[rs]+SignExtImm](7:0) = R[rt](7:0) (2) 28 hex Elementi di Informatica e Programmazione Università di Brescia 15 PSEUDOINSTRUCTION SET NAME MNEMONIC OPERATION Branch Less Than blt if(r[rs]<r[rt]) PC = Label FP Subtract Double Load FP Single Load FP Double Move From Hi Move From Lo Move From Con Multiply Multiply Unsign Shift Right Arith Store FP Single Store FP Double FLOATING-PO FR FI opc opc PSEUDOINST N Branch Les Branch Gre Branch Les Branch Gre Load Imme Move REGISTER NA NAME $zero $at $v0-$v1 $a0-$a3 $t0-$t7 $s0-$s7 $t8-$t9 $k0-$k1 $gp $sp FLOATING-POINT INSTRUCTION FORMATS $fp J opcode address $ra FR 31 opcode fmt ft fs fd funct 0 Copyright by 26 Elsevier, 25 Inc., 21 All 20 rights reserved From 11Patterson 10 and 6 5Hennessy, Computer 0 Organizat FI opcode fmt ft immediate