1. Reprezentacje danych na poziomie maszynowym: kodowanie liczb całkowitych i

rzeczywistych oraz znaków (zasady reprezentacji i standardy kodowania)

Liczby całkowite mogą być reprezentowane jako unsigned (bez znaku) lub signed (ze

znakiem). Liczby całkowite bez znaku są zapisywane w naturalnym kodzie binarnym. Największa

liczba jaką można w ten sposób zapisać na n-bitach wynosi 2^n - 1.

Liczby całkowite ze znakiem reprezentowane są w kodzie uzupełnienia dwójkowego U2.

Najstarszy bit jest bitem znaku, gdzie 0 oznacza liczbę dodatnią, a 1 ujemną. Pozostałe bity służą do

zapisu liczby. Liczbę dodatnią tworzy się tak jak w przypadku liczb całkowitych bez znaku,

maksymalna wartość to 2^(n-1) - 1. Liczba ujemną można zapisać kilkoma metodami np. poprzez

inwersje bitów liczby przeciwnej i dodanie do rezultatu jedynki. Najmniejsza liczba całkowita

ujemna jaką można zapisać na n bitach to -2^(n-1).

Standard kodowania liczb zmiennoprzecinkowych to IEEE 754. W zapisie tym można

wyróżnić bit znaku, cechę i mantysę. Rozróżniane są także dwa formaty znormalizowany i

zdenormalizowany. Ten drugi format służy do zapisu liczb bliskich zeru, pierwszy do zapisu

wszystkich pozostałych.

Znaki reprezentowane są w standardzie ASCII lub rozszerzonym standardzie UNICODE. W

ASCII każdy znak ma odpowiadający mu 7-bitowy kod binarny. Same znaki mają kody od 32 do

126. Pozostałe są przypisane do różnych poleceń sterujących. W kodzie maszynowym znaki, są

zapisywane na 8 bitach, więc 8 bit posłużył do powstania wielu rozszerzeń kodu ASCII. Istnieje

także 32 bitowy standard UNICODE, który w założeniu ma zawierać znaki wszystkich pism

używanych na świecie.

2. Automatyzacja arytmetycznych i logicznych operacji na danych: budowa i działanie ALU

ALU (Aritmetic Logic Unit) – to układ cyfrowy którego zadaniem jest wykonywanie

operacji arytmetycznych i logicznych. Projektowaliśmy ALU na zajęciach laboratoryjnych z

Techniki Cyfrowej. Wyposażone było w dwa 8-bitowe wejścia danych i 3-bitowe wejście kodu

operacji oraz w trzy wyjścia, tzn. 8-bitowe wyjście danych(wynik operacji) i 1- bitowe

sygnalizatory przeniesienia i przepełnienia(cout i overflow).

Na tak zaprojektowane ALU składały się 8-bitowe extender i sumator. Extender był

zbudowany z 8 1-bitowych abextenderów, które w oparciu o kod operacji i bity wejściowe A i B

wyznaczały wyjściowe wartości A i B zgodnie z zaprojektowaną tablicą prawdy, oraz układu

kombinacyjnego, który na podstawie kodu operacji zwracał 1 bądź 0. Dwie 8-bitowe liczby i bit cin

przygotowane przez extender trafiały do sumatora, który gdzie ustalane były wartości wyjść.

3. Automatyzacja dekodowania: dekoder, budowa, działanie, zastosowanie

Dekoder to układ kombinacyjny, który przyjmując na wejściu liczbę n-bitową, ustawia dokładnie

jedno z 2^n wyjść na wartość 1. Dla przykładu 4-bitowy dekoder posiadałby 2^4 czyli 16 wyjść.

Najprościej zbudować go z 4 bramek NOT i 16 bramek AND. Każda bramka AND ma 4 wejścia i

każdej kombinacji 4-bitów wejściowych będzie odpowiadało jedno z wyjść.

4. Automatyzacja procesów przełączania w procesorze: multiplekser, demultiplekser

Multiplekser to układ cyfrowy posiadający 2^n wejść danych, jedno wyjście danych i n

wejść sterujących. Umożliwia on przeniesienie sygnału z wybranego wejścia na wyjście układu.

Multiplekser można zrealizować przy pomocy n bramek NOT , 2^n bramek AND i jednej bramki

OR. Dla każdej kombinacji wejść sterujących wybierane jest inne wejście z którego dane pojawiają

się na wyjściu układu.

Demultiplekser posiada jedno wejście danych, n wejść sterujących i 2^n wyjść danych.

Działa on odwrotnie do multipleksera. Dla każdej kombinacji wejść sterujących wybierane jest inne

wyjście na którym pojawią się dane podane na wejściu.

5. Podstawowe elementy pamięciowe: budowa, działanie, zastosowanie

6. Reprezentacja rozkazów na poziomie języka maszynowego

Posługiwanie się językiem natywnym procesora jest bardzo niewygodne dla człowieka,

znacznie łatwiej posługiwać się skrótami mnemonicznymi, które łatwiej zapamiętać i nie ma

problemu z ich rozróżnieniem. Każda architektura jest wyposażona w swój własny zestaw

instrukcji. W przypadku architektury IA-32 można je podzielić na rozkazy arytmetyczno-logiczne,

rozkazy przesłań i dostępu do pamięci oraz rozkazy zmieniające domyślny przepływ sterowania.

7. Semantyka rozkazów arytmetycznych i logicznych

8. Semantyka rozkazów przesłań i dostępu do pamięci

9. Semantyka rozkazów zmieniających domyślny przepływ sterowania: skoki, skoki ze śladem

10. Podstawowy cykl pracy procesora: rola jednostki sterującej, maszynowa interpretacja

rozkazów

Podstawowy cykl pracy procesora to sekwencja wykonywania etapów np.: pobranie instrukcji (IF),

dekodowanie (Decode), pobranie operandów (OF), Wykonanie (Execute), Zapis do rejestru (WB)

lub zapis do pamięci (MEM).

11. Maszynowa interpretacja wybranych rozkazów typu: arytmetyczno-logicznego, przekazywania

sterowania, w tym wołania procedury i powrotu

12. Reprezentacja struktur (danych i sterowania) języka C na poziomie języka maszynowego

Tablice to struktury których pola są danymi tego samego typu. Mogą to być typy proste lub

złożone. Mając zadeklarowaną tablicę w segmencie .data lub .bss, można pobrać adres jej

pierwszego elementu. Jeśli jest to tablica znaków to dodając do tego adresu 1 otrzymamy adres

drugiego elementu, dodając 2 adres trzeciego elementu itd. Gdyby była to tablica liczb typu int to

adres kolejnych elementów dostajemy dodając do adresu 4.

Struktury są bardzo podobne do tablic jednak ich pola nie muszą być tego samego typu.

Ustalając adres danego pola trzeba wiedzieć ile bajtów zajmują pola wcześniejsze tak by dodać do

adresu pierwszego elementu odpowiedni offset.

Unie to kolejna podobna struktura jednak w tym przypadku przesunięcie między polami

wynosi zawsze 0.

Instrukcję sterującą if najprościej zbudować używając instrukcji porównania CMP i któregoś

z wielu skoków warunkowych. Jeśli mamy np. instrukcję if (n>10) {instrukcje do wykonania},

możemy zapisać n w akumulatorze, porównać n z liczbą 10 instrukcją CMP EAX, 10 i zapisać

instrukcję skoku warunkowego JG Instrukcje_do_wykonania(jeśli n większe od 10 skocz do

Instrukcje_do_wykonania).

Podobnie można postąpić w przypadku instrukcji while z tym, że w tym przypadku jeśli

instrukcje wykonują się dopóki warunek jest prawdziwy więc po skoku warunkowym i wykonaniu

się bloku Instrukcje_do_wykonania musi być instrukcja skoku bezwarunkowego do miejsca w

którym sprawdzany jest warunek dla pętli while.

Pętlę for wygodnie jest zaimplementować przy pomocy instrukcji loop. Wystarczy nazwać

część programu przeznaczoną na pętle np. „petla:”, zapisać w rejestrze ECX ilość powtórzeń pętli,

licznik obiegów pętli można przechowywać w którymś z innych rejestrów uniwersalnych. Pozostaje

tylko napisanie instrukcji które mają być wykonane w pętli, po nich instrukcję „LOOP petla”, która

dekrementuje wartość rejestru ECX i wykonuje skok do początku pętli. Pętla zakończy się w

momencie gdy ECX osiągnie wartość 0.

13. Rekord aktywacji procedury na poziomie języka maszynowego

Rekord aktywacji procedury tworzony jest na stosie. Najpierw odkładane są kolejno

argumenty procedury, zaczynając od ostatniego, a później ślad powrotu czyli adres instrukcji

następującej po Call nazwa_procedury W miarę odkładania elementów na stos dekrementowany

jest wskaźnik wierzchołka stosu ESP.

14. Realizacja na poziomie maszynowym przekazywania parametrów do procedur: przez

wartość, przez referencję.

Parametry procedur są składnikami rekordów aktywacji. W zależności od sposobu

przekazania argumentów(&-referencja, brak &-przez wartość) na stosie odkładane są wartości

argumentu bądź jego adres. Przekazanie argumentu przez wartość oznacza, że na stosie zostanie

odłożona wartość argumentu (liczba, znak, ...). Przy przekazywaniu przez referencję na stosie

zapisywany jest adres zmiennej, przy pomocy którego można się do niej odwoływać. Oznacza to,

że w pierwszym przypadku mamy do czynienia z kopią naszej zmiennej, której wartość istnieje na

stosie dopóki istnieje rekord aktywacji. W drugim przypadku poprzez adres modyfikowana będzie

oryginalna wartość zmiennej.

15. Reprezentacja zmiennych lokalnych i globalnych na poziomie języka maszynowego

Zmienne lokalne i globalne reprezentowane są binarnie. Lokalne odkładane są na stosie, a

rezerwuje się jedekrementując wskaźnik ramki stosu EBP o liczbę bajtów potrzebną na nasze

zmienne. Adresy tych zmiennych ustala się równiez przy pomocy EBP. Zmienne globalne z

nadanymi wartościami początkowymi (zainicjalizowane) znajdują się w segmencie .data, a

niezainicjalizowane w segmencie.bss.

Mogą to być zmienne typu prostego jak:

- liczba całkowita bez znaku - reprezentowana w naturalnym kodzie dwójkowym

- liczba całkowita ze znakiem - reprezentowana w kodzie uzupełnienia dwójkowego U2

- liczba typu float - reprezentowana zgodnie ze standardem IEEE 754 w formatach

znoramlizowanym lub zdenormalizowanym

- znaki - zapiswane w standardach ASCII bądź UNICODE

- łańcuch znaków

- tablica - zawiera pola z elementami tego samego typu, tworzona pod określonym adresem, a do

poszczególnych elementów można się odwołać dodając odpowiednią wartość przesunięcia (offset)

do adresu bazowego

- struktura - reprezentowana podobnie jak tablica z tym że jej pola mogą być różnych typów, mogą

nawet też być typu złożonego

- unia - adres unii jest adresem wszystkich jej pól jednocześnie, nie ma między nimi przesunięcia.

16. Architektura IA-32: struktura procesora, lista rozkazów, tryby adresowania

17. Architektura MIPS 32: struktura procesora, lista rozkazów, tryby adresowania

18. Architektura RISC vs. CISC

RISC - Reduced Instruction Set Computer:

– duży zestaw rejestrów (>= 32)

– instrukcje trójargumentowe

– rzadkie odwołania do pamięci

– proste tryby adresowania

– proste kodowanie instrukcji(stała długość)

– prosta i szybka jednostka wykonawcza

– przykłady: MIPS, SPARC, ARM

CISC – Complex Instruction Set Computer:

– rejestry przechowują jedynie adresy i tymczasowe wyniki pośrednie

– dane(operandy) w pamięci(lokalne na stosie)

– operandy o różnych długościach 1, 2 , 4, 8 bajtowe

– instrukcje z języka wysokiego poziomu zamieniane na jedną lub kilka instrukcji

maszynowych

– długość argumentu zakodowana w instrukcji

– bogaty repertuar trybów adresowania

– zwykle instrukcje dwuargumentowe

problemy:

– złożoność jednostki wykonawczej

– częste odwołania do pamięci

– instrukcje o zmiennej długości: złożona specyfikacja argumentów

– wielofazowe wykonanie instrukcji

19. Struktura procesora: elementy i ich współdziałanie

Procesor składa się z:

– ALU

– zestawu rejestrów

– wewnętrznych ścieżek danych

– zewnętrznych ścieżek danych

– jednostki sterującej.

Zadaniem ALU jest wykonywanie prostych operacji arytmetyczno-logicznych na

operandach dostarczonych na wejście i wygenerowanie wyniku.

Zestaw rejestrów czy to uniwersalnych czy konkretnego przeznaczenia jest potrzebny do

przechowywania adresów, pośrednich wyników tymczasowych.

20. Organizacja pamięci: rejestrów, pamięci głównej, kieszeniowej

21. Konwencje reprezentacji danych wielobajtowych w pamięci adresowanej bajtowo

Dane wielobajtowe, które mają zostać umieszczone w pamięci adresowanej bajtowo są

dzielone na bajty i umieszczane pod kolejnymi adresami. Są dwie konwencje ułożenia bajtów w

pamięci: Little Endian i Big Endian.

W konwencji LittleEndian pod najmniejszym adresem zapisany jest najmłodszy(najmniej

znaczący) bajt(zapis do pamięci od prawej do lewej). Jest to konwencja naturalna dla komputera na

tomiast dla człowieka wydaje się nieco dziwna. Jeśli chcemy uzyskać dostęp do mniej znaczący

części(bajta, 2 bajtów) np. liczby całkowitej 64 bitowej to jest to bardzo wygodna konwencja, gdyż

część ta ma ten sam adres co cała liczba.

W konwencji BigEndian pod najmniejszym adresem zapisany jest najstarszy bajt(zapis do

pamięci od lewej do prawej). Konwencja ta jest bardziej zrozumiała dla człowieka, ale mniej

wygodna dla komputera. Tu w przypadku dostępu do mniej znaczących części liczb trzeba do

adresu dodać odpowiednią liczbę określającą o którą część chodzi.

22. Potokowe przetwarzanie instrukcji: koncepcja procesora potokowego i przykładowe

realizacje

Wykonanie rozkazu przez procesor jednocyklowy jest sekwencją etapów: pobranie intrukcji,

dekodowania, pobrania operandów, wykonania i zapisu wyniku do rejestru bądź pamięci. Zarówno

instrukcje tworzące program jak, też ich poszczególne etapy są wykonywane kolejno, a czas

wykonania programu jest sumą czasów wykonania tego wszystkiego. Podczas gdy wykonywany

jest jeden etap, bloki odpowiedzialne za pozostałe etapy są bezczynne. Największe straty czasowe

mają miejsce gdy procesor jest na etapie dostępu do pamięci. Takie przetwarzanie powoduje duże

straty czasu procesora, dlatego powstała koncepcja procesora potokowego.

W przetwarzaniu potokowym instrukcje są wykonywane kolejno lub współbieżnie.

Poszczególne etapy różnych instrukcji są natomiast wykonywane jednocześnie. Przykładowo gdy

zostanie pobrana instrukcja pierwsza i przechodzi na etap dekodowania, to w tym czasie pobierana

jest druga instrukcja. Pierwsza przechodzi na etap pobrania operandów, druga jest dekodowana i

może być już pobrana trzecia instrukcja itd. Wyraźnie widać, że „głębokość” potoku uzależniona

jest od liczby etapów wykonania instrukcji. Przetwarzanie potokowe umożliwia wytworzenie

wyniku raz na cykl nie raz na kilka cykli jak było to w przypadku procesorów jedno cyklowych.

23. Hazardy w procesorach potokowych

W przetwarzaniu potokowym mogą wystąpić zależności pomiędzy instrukcjami powodujące

blokady potoku, zwane konfliktami przetwarzania lub po prostu hazardami. Hazardy można

podzielić na trzy zasadnicze grupy:

– konflikty sterowania – zaburzenia sekwencji przetwarzania przy rozgałęzieniach (skokach),

można je minimalizować prognozując rozgałęzienia.

– konflikty danych – użycie tej samej danej przez 2 kolejne instrukcje, gdy wynik drugiej

instrukcji zależy od wartości wytworzonej przez instrukcję poprzednią. Wyróżnia się 4

rodzaje konfliktów danych: RAR(odczyt po odczycie), RAW(odczyt po zapisie), WAR (zpis

po odczycie), WAW(zapis po zapisie). Konflikt RAR występuje w potoku superskalarnym.

Jego usunięcie wymaga dwuportowego dostępu do rejestrów. Metodą zmniejszania strat

wywołanych konfliktem RAW jest skrót (bypass) na ścieżkach przepływu danych. Konflikty

typu „zapis po ...” rozwiązuje się używając do zapisu kilku rejestrów, których wartości są

nieistotne. Równocześnie trzeba śledzić ważność rejestrów i na bieżąco je indeksować.

– konflikty strukturalne (konflikty dostępu) – niemożność spełnienia jednoczesnych żądań

dostępu do unikatowego zasobu ( np. pamięci głównej, pamięci podręcznej, pliku

rejestrowego). Minimalizacja konfliktów strukturalnych wymaga rozbudowy układów, a to

zwiększa koszty procesora i pamięci, a także komplikuje sterowanie.

24. Przerwania i wyjątki: zasada przekazywania sterowania do programu obsługi

25. Organizacja systemu wejścia-wyjścia

Porty wejściowe lub wyjściowe są widoczne w przestrzeni adresowej podobnie do komórek

pamięci.