POLITECHNIKA GDAŃSKA

WYDZIAŁ ELEKTRONIKI, TELEKOMUNIKACJI i INFORMATYKI

KATEDRA ARCHITEKTURY SYSTEMÓW KOMPUTEROWYCH

Architektura komputerów

Materiały pomocnicze do wykładu dla kierunku Informatyka

cz. I

Opracował dr inż. Andrzej Jędruch

Gdańsk 2008

Literatura do przedmiotu "Architektura komputerów"

Tanenbaum A.S.: Strukturalna organizacja systemów komputerowych. Wyd. Helion 2006.

Stallings W.: Organizacja i architektura systemu komputerowego. Warszawa WNT 2000.

Chalk B.S.: Organizacja i architektura komputerów. Warszawa WNT 1998.

Null L., Lobur J.: Struktura organizacyjna i architektura systemów komputerowych. Wyd. Helion 2004.

Lewis D.W.: Między asemblerem a językiem C. Wyd. RM. 2004.

Schmit L.: Procesory Pentium. Narzędzia optymalizacji. Warszawa wyd. Mikom 1997.

Biernat J.: Architektura komputerów. Wrocław 2005. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.

Komorowski W.: Krótki kurs architektury i organizacji komputerów. Mikom, Warszawa 2004.

Błaszczyk A.: Win32ASM. Asembler w Windows. Gliwice wyd. Helion 2003.

Literatura dodatkowa

Hyde R.: Profesjonalne programowanie. 2006, wyd. Helion.

Irvine K.R.: Asembler dla procesorów Intel. Gliwice wyd. Helion 2003.

Dudek A.: Jak pisać wirusy. Warszawa wyd. Read Me 1994.

Pirogow V.: Asembler. Podręcznik programisty. Wyd. Helion 2005.

Wróbel E. i in.: Praktyczny kurs asemblera. Wyd. Helion 2004.

Wróbel E. i in.: Asembler. Ćwiczenia praktyczne. Wyd. Helion 2002.

Komorowski W.: Instrumenta computatoria (wybrane architektury komputerów). Gliwice wyd. Helion 2000.

Rozwój konstrukcji komputerów i oprogramowania

1834 Babbage — projekt urządzenia "Analytical Engine"

1854 Boole: "Laws of thought"

1930 Laboratorium firmy Bell: komputer elektromechaniczny

1938 Urządzenie liczące w pełni elektroniczne "Colossus" (Turing, Flowers, Newman)

1941 Kalkulator elektromechaniczny (K. Zuse), mnożenie 3 s

1942 - 1946 pierwsze komputery elektroniczne

1944 MARK I (H. Aiken), Harvard University

1945 ENIAC

1945 koncepcje J. von Neumanna

1948 Opracowanie tranzystora

1949 Rozwój oprogramowania: biblioteki podprogramów, asembler

1951 Komputer EDVAC (von Neumann) — program przechowywany w pamięci

1954 Język programowania FORTRAN

1954 IBM 650 — pierwszy komputer produkowany masowo

1955 Pierwszy komputer tranzystorowy

1958 Język Algol

1958 komputery tzw. drugiej generacji (tranzystorowe)

1958 Komputer Atlas z pamięcią wirtualną

1959 Komputer PDP-1

1962 Systemy z podziałem czasu

1968 komputery tzw. trzeciej generacji (układy scalone)

1969 System Unix

lata 70 minikomputery

1971 Procesor Intel 4004

1972 Język C

1977 Komputery osobiste: Apple, Commodore

1980 komputery osobiste

1981 Komputer IBM PC (16 KB RAM)

1982 Turbo-Pascal

1985 Język C++

1990 System Windows 3.0

• Język Java

1995 Rozwój systemów sieciowych, Internet

Komputery w Polsce

1958 Komputer XYZ (Zakład Aparatów Matematycznych PAN)

1960 Komputer ZAM 2

1960 Język programowania SAKO

1964 Komputery ZAM 21

1972 Komputery ODRA (Elwro Wrocław)

1975 Komputer Momik

Procesory zgodne z architekturą IA-32

8086/88 1978

80286 1982

386 1985

486 1989

Intel Pentium 1993

AMD K6 1996

Intel Pentium III 1999

AMD Athlon 1999

Intel Pentium 4 2000

AMD Athlon 64 2004

Intel Pentium D 2005

Intel Core Duo 2006

Model komputera wg von Neumanna

w roku 1945 matematyk amerykański von Neumann wraz ze współpracownikami zaproponował pewien model wykonywania obliczeń — mimo upływu wielu lat prawie wszystkie współczesne komputery ogólnego przeznaczenia stanowią realizację tego modelu;

• zasadniczą i centralną część każdego komputera stanowi procesor jego własności decydują o pracy całego komputera;

• procesor steruje podstawowymi operacjami komputera, wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne, przesyła i odbiera sygnały, adresy i dane z jednego podzespołu komputera do drugiego; procesor pobiera kolejne instrukcje programu i dane z pamięci głównej (operacyjnej) komputera, przetwarza je i ewentualnie odsyła wyniki do pamięci;

• komunikacja ze światem zewnętrznym realizowana jest za pomocą urządzeń wejścia/wyjścia;

do budowy współczesnych komputerów używane są elementy elektroniczne — inne rodzaje elementów (np. mechaniczne) są znacznie wolniejsze (o kilka rzędów); ponieważ elementy elektroniczne pracują pewnie i stabilnie jako elementy dwustanowe, informacje przechowywane i przetwarzane przez komputer mają postać ciągów zerojedynkowych;

• procesor składa się z wielu różnych podzespołów wykonawczych, które wykonują określone działania (np. sumowanie liczb) — podzespoły te na rysunku reprezentowane są przez jednostkę arytmetyczno-logiczną (ang. arithmetic logic unit); podzespoły wykonawcze podejmują działania wskutek sygnałów otrzymywanych z jednostki sterującej;

• we współczesnych procesorach wykonanie nawet najprostszej operacji dodawania wymaga wysłania sygnałów do co najmniej kilkunastu podzespołów procesora; tak więc algorytm wykonywania obliczeń powinien być zakodowany w formie ciągu poleceń, które przechowywane są w pamięci i sukcesywnie odczytywane przez procesor; po otrzymaniu polecenia procesor wysyła sygnał elektryczny do odpowiedniego podzespołu;

• taki sposób kodowania algorytmów wymaga dokładnej znajomości zasad funkcjonowania poszczególnych podzespołów procesora, jest bardzo rozwlekły i kłopotliwy;

• ażeby uprościć programowanie, przyjęto pewien podstawowy zbiór operacji (dla konkretnego typu procesora) i każdej operacji przypisano ustalony kod w postaci ciągu zero-jedynkowego; do zbioru operacji podstawowych należą zazwyczaj cztery działania arytmetyczne, operacje logiczne na bitach (negacja, suma logiczna, iloczyn logiczny), operacje przesyłania, operacje porównywania i wiele innych; dla różnych typów procesorów liczba zdefiniowanych operacji zawiera się w granicach od kilkudziesięciu do kilkuset;

• operacje zdefiniowane w zbiorze podstawowym nazywane są rozkazami lub instrukcjami procesora; każdy rozkaz ma przypisany ustalony kod zero-jedynkowy; podstawowy zbiór operacji procesora jest zwykle nazywany listą rozkazów procesora;

• w takim ujęciu algorytm obliczeń przedstawiany jest za pomocą operacji ze zbioru podstawowego; algorytm zakodowany jest w postaci sekwencji ciągów zero-jedynkowych zdefiniowanych w podstawowym zbiorze operacji — tak zakodowany algorytm nazywać będziemy programem w języku maszynowym;

• program przechowywany jest w pamięci; wykonywanie programu polega na przesyłaniu kolejnych ciągów zero-jedynkowych z pamięci głównej do układu sterowania procesora; zadaniem układu sterowania, po odczytaniu takiego ciągu, jest wygenerowanie odpowiedniej sekwencji sygnałów kierowanych do poszczególnych podzespołów, tak by w rezultacie wykonać wymaganą operację (np. dodawanie);

• program ten musi bezpośrednio dostępny, tak by niezwłocznie po zakończeniu jednej operacji można było zacząć następną; oznacza to, że program musi być przechowywany w pamięci ściśle współdziałającej z procesorem; zatem pamięć współpracująca z procesorem musi być dostatecznie szybka, tak by oczekiwanie na odczytanie potrzebnych informacji nie powodowało przestojów w pracy procesora;

• koncepcja programu przechowywanego w pamięci stanowi kluczowy element modelu von Neumanna;

• program używający tych rozkazów nazywany jest programem w języku maszynowym; można więc powiedzieć, że moduł sterowania procesora przekształca każdy rozkaz (instrukcję) języka maszynowego w odpowiednią sekwencję sygnałów koniecznych do wykonania danego rozkazu;

instrukcje (rozkazy) przekazywane do procesora mają postać jednego lub kilku bajtów o ustalonej zawartości; i tak na przykład przekazanie procesorowi Pentium (lub Athlon) rozkazu (instrukcji) w formie bajtu 01000010 spowoduje zwiększenie liczby umieszczonej w (opisanym dalej) rejestrze EDX o 1, natomiast przekazanie bajtu 01001010 zmniejszenie tej liczby o 1; często polecenia przekazywane procesorowi składają się z kilku bajtów, np. bajty 10000000  11000111  00100101 są traktowane przez procesor jako polecenie dodania liczby 37 do liczby znajdującej się w rejestrze BH;

• język maszynowy jest kłopotliwy w użyciu nawet dla specjalistów; znacznie wygodniejszy jest spokrewniony z nim język asemblera, który będzie omawiany dalej.

Pamięć główna (operacyjna)

• pamięć główna (operacyjna) składa z dużej liczby komórek (np. kilkadziesiąt milionów), a każda komórka utworzona jest z pewnej liczby bitów (gdy komórkę tworzy 8 bitów, to mówimy, że pamięć ma organizację bajtową); poszczególne komórki mogą zawierać dane, na których wykonywane są obliczenia, jak również mogą zawierać rozkazy (instrukcje) dla procesora;

• w większości współczesnych komputerów pamięć ma organizację bajtową; poszczególne bajty (komórki) pamięci są ponumerowane od 0 — numer komórki pamięci nazywany jest jej adresem fizycznym; adres fizyczny przekazywany jest przez procesor (lub inne urządzenie) do podzespołów pamięci w celu wskazania położenia bajtu, który ma zostać odczytany lub zapisany; zbiór wszystkich adresów fizycznych nazywa się fizyczną przestrzenią adresową;

• w wielu współczesnych procesorach adresy fizyczne są 32-bitowe, co określa od razu maksymalny rozmiar zainstalowanej pamięci: 2³² = 4 294 967 296 bajtów (4 GB); w procesorach 8086/88, które stosowane były w pierwszych komputerach IBM PC, adresy są 20-bitowe, skąd wynika, że maksymalny rozmiar zainstalowanej pamięci wynosił 2²⁰ = 1 048 576 bajtów (1 MB);

w trakcie pracy procesor komunikuje się z pamięcią operacyjną, wykonując operacje zapisu i odczytu danych, a także pobierając kolejne rozkazy do wykonania;

pojedynczy bajt umożliwia tylko zapisywanie liczb nie przekraczających 255; tworzone są więc zespoły bajtów:

16-bitowe słowa,

32-bitowe podwójne słowa,

64-bitowe poczwórne słowa,

w miarę potrzeby tworzy się także większe zespoły bajtów;

producenci procesorów ustalają konwencję numeracji bitów w bajtach i słowach — numeracja przyjęta m. in. w procesorach zgodnych z architekturą IA-32 (np. Pentium, Athlon) pokazana jest na rysunku;

Architektura IA-32

• w komputerze IBM PC (r. 1981) zastosowano procesor 8088 firmy Intel; w coraz to nowszych konstrukcjach komputerów miejsce tego procesora zajmowały kolejno procesory 80286, 80386, 80486 (ściśle: i486), różne wersje Pentium i w ostatnich latach Core Duo, pojawiające się zazwyczaj co 4 lata; każdy z nich charakteryzuje się coraz większą szybkością i złożonością;

• stopniowo, wytwarzanie procesorów kompatybilnych z wymienionymi podejmowały także inne firmy, spośród których najbardziej znana jest firma AMD; zarówno procesory firmy Intel, jak i AMD (np. Athlon) realizują prawie identyczny zestaw operacji, tak że z punktu widzenia oprogramowania nie potrzeba ich odróżniać; występują natomiast istotne różnice w organizacji wewnętrznej procesorów, co ma istotny wpływ na wydajność procesora w różnych zastosowaniach;

• omawiane procesory klasyfikowane są jako procesy zgodne z architekturą IA-32; charakterystyczną cechą tych procesorów jest kompatybilność wsteczna, co oznacza że każdy nowy model procesora realizuje funkcje swoich poprzedników; m.in. programy dla komputera IBM PC opracowane na początku lat osiemdziesiątych mogą być wykonywane także w komputerze wyposażonym w procesor Pentium; niekiedy dla wygody, mając na myśli architekturę IA-32, będziemy po prostu mówić o procesorze Pentium czy o procesorze Athlon.

Pamięć fizyczna i wirtualna

• rozkazy (instrukcje) programu odczytujące dane z pamięci operacyjnej (czy też zapisujące wyniki) zawierają informacje o położeniu danej w pamięci, czyli zawierają adres danej; w wielu procesorach adres ten ma postać adresu fizycznego, czyli wskazuje jednoznacznie komórkę pamięci, gdzie znajduje się potrzebna dana; w trakcie operacji odczytu adres fizyczny kierowany do układów pamięci poprzez linie adresowe, a ślad za tym układy pamięci odczytują i odsyłają potrzebną daną;

• taki nieskomplikowany sposób adresowania okazał się dość niepraktyczny, utrudniając efektywne wykorzystanie pamięci, szczególnie w systemach wielozadaniowych (np. MS Windows, Linux); w rezultacie wieloletniego rozwoju architektury procesorów i systemów operacyjnych wyłoniła się koncepcja pamięci wirtualnej, będącej pewną iluzją pamięci rzeczywistej (fizycznej);

• programista, tworząc nowy program przyjmuje, że ma do dyspozycji pewien obszar pamięci, którego rozmiar w przypadku procesora zgodnego z architekturą IA-32 może dochodzić do 4 GB; jednak rozmiar pamięci rzeczywiście zainstalowanej w komputerze może być mniejszy i w typowych komputerach zawiera się w przedziale między 256 MB i 1 GB; odpowiednie układy procesora, sterowane przez system operacyjny, dokonują transformacji adresów, którymi posługuje się programista na adresy w istniejącej pamięci fizycznej, zwykle wspomaganej przez pamięć dyskową;

• pamięć operacyjna komputera w kształcie widzianym przez progra­mistę nosi nazwę pamięci wirtualnej, a zbiór wszystkich możliwych adresów w pamięci wirtualnej nosi nazwę wirtualnej przestrzeni ad­resowej; czasami używany jest termin pamięć logiczna w znaczeniu pamięci wirtualnej; analogiczne znaczenie, jak w przypadku pamięci fizycznej, ma termin adres wirtualny (logiczny);

• transformacja adresów z przestrzeni wirtualnej na adresy fizyczne (rzeczywiście istniejących komórek pamięci) jest technicznie dość skomplikowana i nie może przy tym nadmiernie przedłużać wykonywania rozkazu; problemy te zostały jednak skutecznie rozwiązane, a związane z tym wydłużenie czasu wykonywania programu zwykle nie przekracza kilku procent;

• jednocześnie programista może sobie wyobrażać, że pamięć wirtualna jest rzeczywiście istniejącą pamięcią — taki właśnie punkt widzenia przyjęto w początkowej części niniejszego opracowania; stopniowo, w dalszej części spróbujemy wyjaśnić zasady działania pamięci wirtualnej i mechanizmy transformacji adresów;

• w systemie Windows pamięć wirtualna ma rozmiar 4 GB, ale dla poszczególnych aplikacji dostępny jest obszar nieco mniejszy niż 2 GB (zob. rys.); pełny obszar 4 GB dla aplikacji udostępniany jest dopiero w systemach 64-bitowych;

Adresowanie pamięci

• przypuśćmy, że w pewnym programie (np. w języku C) zdefiniowano dwie zmienne 32-bitowe: a, b; w trakcie wykonywania programu zmienne te zajmować będą dwa (zazwyczaj przyległe) obszary 4-bajtowe;

• położenie tych zmiennych w pamięci wirtualnej określane jest poprzez podanie położenia bajtu o najniższym adresie w obszarze 4-bajtowym — ilustruje to rysunek; adres tego bajtu nazywany jest także przesunięciem lub offsetem zmiennej; innymi słowy offset, jest odległością zmiennej, liczoną w bajtach, od początku obszaru pamięci (wirtualnej);

• zatem adres zawarty w rozkazie (instrukcji) nie zawiera adresu fizycznego danej, czyli nie wskazuje bezpośrednio jej położenia w pamięci fizycznej, lecz jedynie odległość zmiennej od początku pamięci wirtualnej.

Reprezentacja danych w pamięci komputera

• współczesne komputery przetwarzają dane reprezentujące wartości liczbowe, teksty, dane opisujące dźwięki i obrazy i wiele innych; wszystkie one w pamięci komputera mają postać ciągów złożonych z zer i jedynek;

• dane liczbowe przedstawiane są w różnych formatach, ale z punktu widzenia działania procesora szczególne znaczenie mają liczby całkowite — opisy techniczne wielu rozkazów procesora odnoszą się bowiem do operacji wykonywanych na liczbach całkowitych kodowanych w naturalnym kodzie binarnym (liczby bez znaku) albo do operacji wykonywanych na liczbach całkowitych binarnych ze znakiem;

• nie oznacza to, że rozkazy procesora nie mogą wykonywać działań na liczbach ułamkowych — programista może odpowiednio dostosować algorytm obliczeń w taki sposób, ażeby działania na ułamkach zostały zastąpione przez działania na liczbach całkowitych;

• niezależnie od tego, z głównym procesorem stowarzyszony jest procesor pomocniczy, nazywany koprocesorem arytmetycznym, który wykonuje działania na liczbach na liczbach zmiennoprzecinkowych (zmiennopozycyjnych); liczby te kodowane są w specyficzny sposób — zagadnienia związane z liczbami zmiennoprzecinkowymi omawiane będą w dalszej części wykładu;

• rozpatrzymy teraz podstawowe formaty kodowania liczb całkowitych i tekstów powszechnie stosowane we współczesnych komputerach.

Kodowanie liczb całkowitych bez znaku

• w wielu współczesnych procesorach, w tym w procesorach zgodnych z architekturą IA-32, wyróżnia się:

• liczby całkowite bez znaku, kodowane w naturalnym kodzie binarnym;

• liczby całkowite ze znakiem, kodowane zazwyczaj w kodzie U2;

• wartość liczby binarnej bez znaku określa poniższe wyrażenie

gdzie m oznacza liczbę bitów rejestru lub komórki pamięci;

• poniższe rysunki pokazują numerację bitów i przyporządkowanie wag dla liczb 8- i 16-bitowych; kodowanie liczb 16- i 32-bitowych jest analogiczne;

Przykłady

Liczba dziesiętna	Reprezentacja binarna w formacie liczby bez znaku
253	8-bit.	1111 1101
		16-bit.	0000 0000 1111 1101
		32-bit.	0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1101
	45 708	16-bit.	1011 0010 1000 1100
		32-bit.	0000 0000 0000 0000 1011 0010 1000 1100
2 007 360 447	32-bit.	0111 0111 1010 0101 1110 0011 1011 1111

Zakresy liczb bez znaku:

liczby 8-bitowe: <0, 255>

liczby 16-bitowe <0, 65535>

liczby 32-bitowe <0, 4 294 967 295>

liczby 64-bitowe <0, 18 446 744 073 709 551 615>

(osiemnaście trylionów

czterysta czterdzieści sześć biliardów

siedemset czterdzieści cztery biliony

siedemdziesiąt trzy miliardy

siedemset dziewięć milionów

pięćset pięćdziesiąt jeden tysięcy

sześćset piętnaście)

1 trylion = 1018

Kodowanie liczb całkowitych ze znakiem

• wyróżnia się dwa typowe sposoby kodowania liczb binarnych ze znakiem: kodowanie w systemie znak-moduł i kodowanie w systemie U2 (uzupełnienia do dwóch); ten drugi rodzaj kodowania, ze względu na znacznie łatwiejszą realizację sprzętową operacji dodawania i odejmowania jest powszechnie stosowany we współczesnych procesorach;

• wartość liczby binarnej kodowanej w systemie znak_moduł określa poniższe wyrażenie

gdzie m oznacza liczbę bitów rejestru lub komórki pamięci, zaś s stanowi wartość bitu znaku.

Zakresy liczb w systemie znak-moduł:

liczby 8-bitowe: <127, +127>

liczby 16-bitowe <32767, +32767>

liczby 32-bitowe <2 147 483 647, [phone]>

liczby 64-bitowe

<9 223 372 036 854 775 807, [phone] 775 807>

• wartość liczby binarnej kodowanej w systemie U2 określa poniższe wyrażenie

gdzie m oznacza liczbę bitów rejestru lub komórki pamięci.

Przykłady

Liczba dziesiętna	Reprezentacja binarna jako liczby ze znakiem w kodzie U2
−3	8-bit.	1111 1101
		16-bit.	1111 1111 1111 1101
		32-bit.	1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101
	-19828	16-bit.	1011 0010 1000 1100
		32-bit.	1111 1111 1111 1111 1011 0010 1000 1100
2 007 360 447	32-bit.	0111 0111 1010 0101 1110 0011 1011 1111

Zakresy liczb w systemie U2:

liczby 8-bitowe: <128, +127>

liczby 16-bitowe <32768, +32767>

liczby 32-bitowe <2 147 483 648, [phone]>

liczby 64-bitowe

<9 223 372 036 854 775 808, [phone] 775 807>

Przechowywanie liczb w pamięci komputera

• liczby występujące w programach często przekraczają 255 i muszą być zapisywane na dwóch, czterech lub na większej liczbie bajtów;

• w produkowanych obecnie procesorach przyjęto dwa podstawowe schematy rozmieszczenia poszczególnych bajtów liczby w pamięci:

mniejsze niżej (ang. little endian)

mniejsze wyżej (ang. big endian);

• schematy te wyjaśnia poniższy rysunek.

• w architekturze IA-32 stosowany jest schemat mniejsze niżej (ang. little endian); schemat mniejsze wyżej stosowany jest m.in. w procesorach firmy Motorola, w wielu procesorach o architekturze RISC;

• schemat mniejsze wyżej stosowany jest także w oprogramowaniu sieciowym: liczby całkowite zawarte w nagłówkach pakietów generowanych przez protokoły TCP/IP kodowane są wg schematu mniejsze wyżej; z tego powodu definiuje się funkcje konwersji, np. w języku C dostępna jest funkcja biblioteczna htonl ( ), która przekształca liczby long integer kodowane wg schematu przyjętego w danym komputerze na liczby w formacie stosowanym w sieci;

• identyfikację schematu reprezentacji liczb stosowanego w danym komputerze można przeprowadzić za pomocą niżej podanego fragmentu programu w języku C;

// zakładamy, że wartości typu int są 32-bitowe

unsigned int liczba = 0x12345678;

unsigned char ∗ wsk = (unsigned char ∗) & liczba;

if (wsk[0] == 0x12 )

printf ("\nFormat mniejsze wyżej (big endian)");

else

printf ("\nFormat mniejsze niżej (little endian)");

Kodowanie tekstów

• od wielu lat do kodowania tekstów zapisanych w alfabetach łacińskich stosuje się kod ASCII (ang. American Standard Code for Information Interchange); pierwotnie do kodowania używano 7 bitów, co pozwalało na zakodowanie 128 znaków; w wersji podstawowej kod ASCII obejmuje małe i wielkie litery alfabetu angielskiego (łacińskiego), cyfry, znaki przestankowe, itp.; poniżej podano przykładowe kody ASCII różnych znaków;

A	0100 0001	41H
B	0100 0010	42H
C	0100 0011	43H
D	0100 0100	44H
E	0100 0101	45H
F	0100 0110	46H
— — — — — —
Y	0101 1001	59H
Z	0101 1010	5AH

a	0110 0001	61H
b	0110 0010	62H
c	0110 0011	63H
d	0110 0100	64H
e	0110 0101	65H
f	0110 0110	66H
— — — — —
y	0111 1001	79H
z	0111 1010	7AH

0	0011 0000	30H
1	0011 0001	31H
2	0011 0010	32H
3	0011 0011	33H
— — — — — —
8	0011 1000	38H
9	0011 1001	39H

!	0010 0001	21H
"	0010 0010	22H
#	0010 0011	23H
$	0010 0100	24H
— — — — —
{	0111 1011	7BH
|	0111 1100	7CH

• znaki ASCII o kodach zawartych w przedziale <0, 31> zostały zdefiniowane jako znaki sterujące urządzeniami wejścia/wyjścia; najczęściej używane są znaki powrotu karetki CR (ang. Carriage Return, kod 13 = 0DH) i nowej linii LF (ang. LineFeed, kod 10 = 0AH); rzadziej stosuje się, np. znak FF (ang. FormFeed, kod 12 = 0CH), który powoduje przesunięcie papieru w drukarce do nowej strony;

• poprzez wykorzystanie ósmego bitu pojawiła się możliwość kodowania dodatkowych znaków; w ten powstało wiele rozszerzeń podstawowego kodu ASCII dostosowanych do alfabetów narodowych, przy czym podstawowy zestaw znaków ASCII pozostał niezmieniony; poniższa tabela zawiera kilka przykładowych sposobów kodowania liter alfabetu polskiego;

Kodowanie wybranych liter alfabetu polskiego

Znak	a	ą	A	Ą
kody znaków podano w zapisie szesnastkowym
Latin 2	61	A5	41	A4
Windows 1250	61	B9	41	A5
ISO 8859-2	61	B1	41	A1
Mazovia	61	86	41	8F

• maksymalna liczba znaków przy stosowaniu kodów 8-bitowych wynosi 256, z czego początkowe 32 kody są kodami sterującymi i nie są używane do kodowania znaków widocznych — z pewnością nie wystarczy to do kodowania liter alfabetów europejskich, nie mówiąc już o alfabetach krajów dalekiego wschodu; z tego względu podjęto na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia podjęto prace nad rozwojem kodów 16- i 32-bitowych — tematyka ta opisana jest na następnych stronach.

Uniwersalny zestaw znaków

• ustalenie jednolitych standardów kodowania znaków stało się szczególnie ważne ze względu na rozwój technik przesyłania informacji przez sieci komputerowe, a zwłaszcza przez Internet;

• standard międzynarodowy ISO 10646 definiuje Uniwersalny Zestaw Znaków USC - ang. Universal Character Set; można uważać, że UCS pokrywa wszystkie istniejące dotychczas standardy kodowania znaków; praktycznie USC jest identyczny z zestawem Unicode, który jest tworzony przez organizacje producentów oprogramowania;

• standardy UCS/Unicode zawierają znaki potrzebne do reprezentacji tekstów praktycznie we wszystkich znanych językach; obejmują nie tylko znaki alfabetu łacińskiego, greki, cyrylicy, arabskiego, ale także znaki chińskie, japońskie i wiele innych;

• znaki Unicode/UCS o kodach U+0000 do U+007F są identyczne ze znakami kodu ASCII (standard ISO 646 IRV); z kolei znaki z przedziału U+0000 do U+00FF są identyczne ze znakami kodu ISO 8859-1 (kod Latin-1);

• poniżej podano przykładowe kody znaków w zapisie szesnastkowym w standardzie UCS/Unicode;




a	0061
A	0041
ą	0105
Ą	0104
b	0062
B	0042
c	0063
C	0043
ć	0107
Ć	0106
d	0064
D	0044
e	0065
E	0045
ę	0119
Ę	0118




• standard ISO 10646 definiuje zestaw znaków 31-bitowych; jak dotychczas używany jest 16-bitowy podzbiór obejmujący 65534 początkowych pozycji (czyli 0x0000 do 0xFFFD), oznaczany skrótem BMP (ang. Basic Multilingual Plane);

• wprawdzie standardy ISO 10646 i Unicode stosują identyczne kody znaków, to jednak pojawiają się różne oznaczenia zbliżonych formatów, co powoduje pewien zamęt terminologiczny; wydaje się, że częściej używana jest terminologia Unicode;

• współczesne języki programowania definiują typy danych przeznaczone do przechowywania 16-bitowych znaków UCS/Unicode („wide character”), np. w języku C++ stosowany jest typ wchar_t.;

• zauważmy, że zakodowanie typowego znaku z podzbioru BMP wymaga użycia dwóch bajtów, które mogą być przechowywane wg schematu mniejsze niżej lub mniejsze wyżej (ang. little endian / big endian); poniższa tablica pokazuje różne reprezentacje kodów początkowych liter alfabetu języka polskiego;

Znak	a	ą	A	Ą
Unicode (mniejsze niżej)	61 00	05 01	41 00	04 01
Unicode (mniejsze wyżej)	00 61	01 05	00 41	01 04

• ze względu na stosowanie dwóch formatów przechowywania liczb mniejsze niżej / mniejsze wyżej, stosowane są dodatkowe bajty identyfikujące rodzaj kodowania; bajty te oznaczane są skrótem BOM (ang. Byte Order Mark — znacznik kolejności bajtów) przesyłane są przed właściwym tekstem; postać znacznika BOM podano w poniższej tabeli;

Dodatkowe bajty na początku strumienia (BOM — ang. byte order mark) identyfikujące rodzaj kodowania)

Unicode	Znaki 16-bitowe	Znaki 32-bitowe
mniejsze niżej (ang. little endian)	FF FE	FF FE 00 00
mniejsze wyżej (ang. big endian)	FE FF	00 00 FE FF
UTF-8	EF BB BF *)

*) znacznik BOM w kodowaniu UTF-8 można pominąć

Formaty UTF

• tablice kodów UCS/Unicode przyporządkowują poszczególnym znakom ustalone liczby całkowite; istnieje kilka sposobów przedstawiania tych liczb w postaci bajtów; spośród tych sposobów najbardziej rozpowszechniony jest format UTF-8 (ang. 8-bit Unicode Transformation Format), natomiast rzadziej spotyka się formaty UTF-16 i UTF-32;

• podstawową zaletą formatu UTF-8 jest zwarte kodowanie, w szczególności kody ASCII są nadal kodowane na jednym bajcie, a znacznie rzadziej używane znaki narodowe kodowane są za pomocą dwóch lub trzech bajtów — w rezultacie tekst w języku polskim zakodowany w formacie UTF-8 jest zazwyczaj o około 5% dłuższy od tekstu w formacie ISO 8859-2; kodowanie w formacie UTF-8 jest szeroko stosowane w Internecie;

• dodatkową zaletą kodowania UTF-8 jest to, że w kodach znaków nie występują bajty zerowe; w systemie Unix (Linux), jak również w języku C, bajt o wartości 0 użyty w ciągu znaków oznacza zakończenie tego ciągu; ponieważ w przypadku tekstu w alfabecie łacińskim zakodowanego w standardzie UCS-2 (lub UCS-4) liczba 0 występuje w kodzie każdego znaku z podstawowego zbioru ASCII, konieczne jest dostosowanie systemu do takiego sposobu kodowania, co nastręcza sporo kłopotów;

• kodowanie w formacie UTF-8 oparte jest na następujących regułach:

1. Znaki UCS/Unicode o kodach U+0000 do U+007F (czyli znaki kodu ASCII) są kodowane jako pojedyncze bajty o wartościach z przedziału 0x00 do 0x7F. Oznacza to, że pliki zawierające wyłącznie 7-bitowe kody ASCII mają taką samą postać zarówno w kodzie ASCII jak i w UTF-8.

2. Wszystkie znaki o kodach większych od U+007F są kodowane jako sekwencja kilku bajtów, z których każdy ma ustawiony najstarszy bit na 1. Pierwszy bajt w sekwencji kilku bajtów jest zawsze liczbą z przedziału 0xC0 do 0xFD i określa ile bajtów następuje po nim. Wszystkie pozostałe bajty zawierają liczby z przedziału 0x80 do 0xBF. Takie kodowanie pozwala, w przypadku utraty jednego z bajtów, na łatwe zidentyfikowanie kolejnej sekwencji bajtów (ang. resynchronization).

3. Kodowanie UTF-8 teoretycznie pozwala na utworzenie 6 bajtów, ale przypadku znaków BMP generowane są trzy bajty. Obowiązuje kolejność bajtów wg zasad "mniejsze wyżej". Bajty 0xFE i 0xFF są nieużywane w kodzie UTF-8.

4. Opcjonalnie, dla wskazania, że ciąg bajtów zawiera znaki zakodowane w formacie UTF-8 stosuje się (wcześniej omawiany) znacznik BOM, który w tym przypadku ma postać: EF BB BF

• podana niżej tablica określa sposób kodowania UTF-8 dla różnych wartości kodów znaków; bity oznaczone xxx zawierają reprezentację binarną kodu znaku; dla każdego znaku może być użyta tylko jedna, najkrótsza sekwencja bajtów; warto zwrócić uwagę, że liczba jedynek z lewej strony pierwszego bajtu jest równa liczbie bajtów reprezentacji UTF-8.

Zakresy kodów		Reprezentacja w postaci UTF-8
od	do
U-00000000	U-0000007F	0xxxxxxx
U-00000080	U-000007FF	110xxxxx 10xxxxxx
U-00000800	U-0000FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-00010000	U-001FFFFF	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-00200000	U-03FFFFFF	111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxx
U-04000000	U-7FFFFFFF	1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

• poniższa tabela zawiera wartości kodów w różnych formatach dla znaku © i kilku początkowych liter alfabetu języka polskiego;

Znak	©	a	ą	A	Ą
Unicode (mniejsze niżej)	A9 00	61 00	05 01	41 00	04 01
Unicode (mniejsze wyżej)	00 A9	00 61	01 05	00 41	01 04
UTF-8	C2 A9	61	C4 85	41	C4 84

• przykładowo, znak © (copyright) ma przypisany kod U+00A9 = 0000 0000 1010 1001; w reprezentacji UTF-8 kod ten należy do zakresu <U-00000080 ÷ U-000007FF> i jest przedstawiany w postaci 11 bitów — wobec tego pomijamy początkowe 5 bitów i kodujemy dalej liczbę 000 1010 1001; z podanej tabeli wynika, że pierwsze pięć bitów wpiszemy do pierwszego bajtu, a następne sześć bitów - do drugiego bajtu. Tak więc otrzymamy:

pierwszy bajt: 110 000 10

drugi bajt: 10 10 1001

czyli C2H i A9H;

• podobnie, znak ≠ ("różny") o kodzie U+2260 kodowany jest w postaci trzech bajtów: E2H, 89H, A0H;

• w przypadku formatu UTF-16 kod znaku podany jest na dwóch bajtach — taki sposób kodowania w standardzie ISO 10646 oznaczany jest symbolem UCS-2 i obejmuje zakres <0, FFFDH> (z wyłączeniem zakresu <D800H, DFFFH>); w standardzie Unicode odpowiednikiem formatu UCS-2 jest UTF-16, który jest identyczny z UCS-2 dla wartości mniejszych od 10000H;

• format UTF-16 może być też stosowany do kodowania wartości z przedziału <10000H, 10FFFFH> — w tym przypadku przesyłane są dwie wartości 16-bitowe kodowane w niżej pokazany sposób, przy czym kodowana liczba przez zapisaniem w postaci 20-bitowej zostaje pomniejszona o 10000H;

110110 ... (10 starszych bitów)...

110111 ... (10 młodszych bitów) ...

• znak w kodzie ASCII lub w kodzie Latin-1 może być łatwo przekodowany na kod USC-2 poprzez wprowadzenie dodatkowego bajtu zerowego przed kod ASCII;

• kod znaku może być także podany w postaci liczby binarnej zapisanej czterech bajtach — taki sposób kodowania w standardzie ISO 10646 oznaczany jest symbolem UCS-4; kod obejmują zakres <0, 7FFFFFFFH>; jeśli nie określono inaczej, stosuje się konwencję mniejsze wyżej (ang. big endian), tzn. starszy bajt (bajty) przesyłany jest najpierw;

• odpowiednikiem tego kodowania w standardzie Unicode jest format UTF-32; w tym przypadku kodowanie obejmuje zakres <0, 10FFFFH>, a ponadto z podanego zakresu wyłączone są wartości <D800H, DFFFH> oraz <FFFEH, FFFFH>; w standardzie Unicode wartościom z przedziału <D800H, DFFFH> nie są przypisane żadne znaki;

• w przypadku kodu USC-4, znak w kodzie ASCII (lub w kodzie Latin-1) może być łatwo przekodowany na kod USC-4 poprzez wprowadzenie dodatkowych trzech bajtów zerowych przed kod ASCII.

Rejestry ogólnego przeznaczenia w procesorach

zgodnych z architekturą IA-32

• w trakcie wykonywania obliczeń często wyniki pewnych operacji stają się danymi dla kolejnych operacji — w takim przypadku nie warto odsyłać wyników do pamięci operacyjnej, a lepiej przechować te wyniki w komórkach pamięci wewnątrz procesora; komórki pamięci wewnątrz procesora zbudowane są w postaci rejestrów (ogólnego przeznaczenia);

• początkowo wszystkie rejestry ogólnego przeznaczenia były 16-bitowe i oznaczone AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, F; wszystkie te rejestry w procesorze 386 i wyższych zostały rozszerzone do 32 bitów i oznaczone dodatkową literą E na początku, np. EAX, EBX, ECX, itd.;

rejestry 16-bitowe są nadal dostępne, np. młodsza część rejestru EAX nazywa AX, a młodsza część rejestru EBX nazywa się BX; ponadto w kilku rejestrach wyodrębniono mniejsze rejestry 8-bitowe, oznaczone AL, AH, BL, BH, itd.; omawiane tu rejestry pokazane są na rysunku:




31		15	7 0
EAX
		AX
		AH	AL

31		15	7 0
EBX
		BX
		BH	BL

31		15	7 0
ECX
		CX
		CH	CL

31		15	7 0
EDX
		DX
		DH	DL

31		15	7 0
ESI
		SI

31		15	7 0
EDI
		DI

31		15	7 0
EBP
		BP

31		15	7 0
ESP
		SP




• kilka lat temu zdefiniowano 64-bitowe rozszerzenie architektury IA-32, które oznaczane jest symbolem AMD64 lub IA-32e; w rozszerzeniu tym dokonano licznych zmian w stosunku do pierwowzoru, a najbardziej widoczne dla programisty są rejestry 64-bitowe;

• istniejące dotychczas 32-bitowe rejestry ogólnego przeznaczenia EAX, EBX, ECX,... (na rysunku oznaczone szarymi polami) zostały rozszerzone do 64 bitów — rozszerzone rejestry oznaczane są symbolami RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP; oprócz tego wprowadzono osiem nowych 64-bitowych rejestrów ogólnego przeznaczenia oznaczonych R8 ÷ R15;




• w trybie 64-bitowym stosowane są operandy 32- i 64-bitowe, ale domyślny rozmiar operandu wynosi 32 bity; operandami 32-bitowymi mogą być typowe rejestry EAX, EBX, ..., ESP, oraz nowe rejestry R8D ÷ R15D; operandami 64-bitowymi mogą być rejestry RAX, RBX, ..., RSP, R8 ÷ R15;

• dostępne są młodsze części nowych rejestrów R8 ÷ R15, np. R8B, R8W, R8D, R8; istnieje także możliwość odwołania się do najmłodszych bajtów rejestrów 64-bitowych: RBP, RSP, RDI, RSI poprzez nazwy, odpowiednio, BPL, SPL, DIL, SIL; rejestry AH, BH, CH, DH są niedostępne;

• w wielu przypadkach zawartości rejestrów 16-, 32- i 64-bitowych przesyłane są do pamięci głównej (operacyjnej) i odwrotnie; w tych operacjach obowiązują omawiane wcześniej reguły mniejsze niżej (w architekturze IA-32) lub mniejsze wyżej (w innych architekturach); przykład takiej operacji pokazany jest na poniższym rysunku;




Rejestr znaczników

• w wielu współczesnych procesorach występuje rejestr opisujący aktualny stan procesora, nazywany rejestrem stanu procesora; w procesorach IA-32 informacje o stanie procesora przechowywane są w kilku rejestrach, wśród których najczęściej używany jest rejestr znaczników; termin znacznik oznacza rejestr jednobitowy;

• niektóre bity rejestru znaczników opisują wynik ostatnio wykonanego rozkazu (np. czy wystąpił nadmiar), inne bity specyfikują sposób wykonywania rozkazów czy też tryb pracy procesora;

• w procesorach IA-32 omawiane znaczniki, zebrane razem, tworzą 32-bitowy rejestr znacz­ników EF (lub EFLAGS) o strukturze podanej na rysunku:




Najczęściej używane znaczniki są następujące:

CF (ang. carry) znacznik przeniesienia do znacznika tego wpisywane jest przeniesienie (pożyczka) z najbardziej znaczącego bitu;

PF (ang. parity) znacznik parzystości znacznik ten ustawiany jest w stan 1, gdy osiem najmłodszych bitów wyniku operacji arytmetycznej lub logicznej zawiera parzystą liczbę jedynek;

AF (ang. auxiliary carry) znacznik przeniesienia pomocniczego, używany w operacjach na liczbach zakodowanych w systemie dwójkowo-dziesiętnym (BCD);

ZF (ang. zero) znacznik zera znacznik ten ustawiany jest w stan 1, gdy wynik operacji arytmetycznej lub logicznej jest równy 0 i zerowany w przypadku przeciwnym;

SF (ang. sign) znacznik reprezentujący znak wyniku obliczenia;

TF (ang. trap) pułapka znacznik ten umożliwia krokowe wykonywanie programu (używany przez debuggery);

IF (ang. interrupt enable) zezwolenie na przerwanie znacznik ten włącza lub wyłącza system przerwań; jeśli znacznik IF zawiera 0, to przerwania sprzętowe są ignorowane aż do chwili, gdy IF zawierać będzie 1; zawartość znacznika IF nie wpływa na wykonywanie przerwań programowych;

DF (ang. direction) znacznik kierunku stan tego znacznika wpływa na sposób wykonywania operacji na łańcuchach znaków;

OF (ang. overflow) znacznik nadmiaru.

Rejestry segmentowe

• w architekturze IA-32 zdefiniowano obszary pamięci przeznaczone na rozkazy, dane statyczne i dane dynamiczne — obszary te nazwano segmentami; położenia poszczególnych segmentów w pamięci komputera wskazywane są przez zawartości 16-bitowych rejestrów procesora:

• rejestr CS wskazuje położenie segmentu zawierającego rozkazy programu,

• rejestr DS (a także ES, FS, GS) wskazuje położenie segmentu zawierającego dane statyczne,

• rejestr SS wskazuje położenie segmentu danych dynamicznych (obszar stosu);

• w typowych trybach pracy procesora wymienione rejestry nie zawierają adresów pamięci, ale indeksy do deskryptorów w tablicach systemowych;




15 0

CS

15 0

SS

15 0

FS

15 0

DS

15 0

ES

15 0

GS







• w systemie Windows rejestry segmentowe skonfigurowane są w dość specyficzny sposób: każdy z deskryptorów wskazywanych przez rejestry CS, DS, ES i SS opisuje cały obszar pamięci udostępniony dla programu; w szczególności zawartości rejestrów DS, ES i SS są jednakowe, co oznacza, że wskazują ten sam deskryptor; rejestr CS wskazuje na inny deskryptor, który jednak opisuje również cały obszar pamięci udostępniony dla programu;

• wewnątrz obszaru pamięci przydzielonego dla programu, w rozłącznych fragmentach umieszczone są rozkazy programu, dane statyczne i dane dynamiczne (stos programu); zazwyczaj kod programu (rozkazy programu) lokowany jest począwszy od adresu 401000H (4 198 400), dalej umieszczane są dane statyczne i dynamiczne (stos);

• w omawianym dalej trybie rzeczywistym procesora rejestry segmentowe, po rozszerzeniu do 20 bitów (poprzez dopisanie czterech zer z prawej strony) wskazują bezpośrednio adresy w pamięci fizycznej;

• we współczesnych systemach komputerowych, w których stosowana jest pamięć wirtualna, odpowiednie wartości do rejestrów segmentowych wpisywane są przez system operacyjny i w odniesieniu do tych rejestrów programy nie muszą podejmować żadnych działań; używane dawniej programy 16-bitowe w pewnym zakresie same ustalały zawartości rejestrów segmentowych;

• w języku asemblera zdefiniowano dyrektywę ASSUME, która wiąże segmenty programu i rejestry segmentowe, tj. dla każdego segmentu wymienionego na liście tej dyrektywy poda­je nazwę rejestru segmentowego (CS, DS, ES, FS, GS, SS), którego zawartość wskazuje początek tego segmentu; bliższe informacje dotyczące dyrektywy ASSUME podane będą w dalszej części wykładu.

Rozwój architektury IA-32

• projekt procesora 8086/88, opracowany w końcu lat siedemdziesiątych, przewidywał, że procesor ten współpracować będzie z pamięcią główną (operacyjną) zawierającą co najwyżej 220 = 1 048 576 bajtów; po kilku latach okazało się, że taki rozmiar pamięci jest już niewystarczający i zachodzi konieczność zastąpienia dotychczas używanego procesora przez inny, umożliwiający współpracę z znacznie większą pamięcią;

jednak wprowadzenie całkowicie nowego typu procesora mogłoby nie zostać zaakceptowane przez użytkowników komputerów, których dotychczasowe oprogramowanie stałoby się bezużyteczne — w tej sytuacji postanowiono skonstruować procesor posiadający możliwość pracy w dwóch trybach:

w trybie "starym", który nazywany jest trybem rzeczywistym (ang. real mode), procesor zachowuje się podobnie do swojego poprzednika 8086/88;

w trybie "nowym", określany jako tryb chroniony (ang. protected mode) procesor stosuje inne techniki adresowania pamięci, co pozwala zainstalować w komputerze pamięć główną o rozmiarze do 4 GB (gigabajtów), a nowszych procesorach nawet do 64 GB;

przełączenie między trybami wykonywane jest w sposób programowy;

• tryb chroniony w ograniczonym zakresie został wprowadzony w procesorze 80286, i szerzej rozwinięty w procesorach 386, 486 i w kolejnych wersjach procesora Pentium; podstawowa lista rozkazów jest stopniowo rozszerzana nowe rozkazy, wśród których najczęściej wymienia się operacje grup MMX i SSE, specjalnie zaprojektowane do szybkiego przetwarzania danych w operacjach multimedialnych;

• w okresie przejściowym (trwającym do chwili obecnej), w komputerze mogą być wykonywane zarówno programy przewidziane dla trybu chronionego, jak też wychodzące z użycia programy przewidziane dla trybu rzeczywistego; należy więc przypuszczać, że wykonanie programu w trybie rzeczywistym wymaga przełączenia procesora do trybu rzeczywistego;

• takie przełączenie jest wprawdzie możliwe, ale wiąże się z tymczasową utratą przywilejów systemu operacyjnego w stosunku do zwykłego programu — z tego względu w architekturze IA-32 zdefiniowano specjalny tryb pracy oznaczony symbolem V86, który można uważać za podtryb trybu chronionego;

• w trybie V86, mimo że stanowi on odmianę trybu chronionego, procesor z punktu widzenia wykonywanego programu zachowuje się prawie dokładnie tak samo jak w trybie rzeczywistym;

• tak więc programy "DOSowe" wywoływane na poziomie systemu Windows są wykonywane w trybie V86, a nie w trybie rzeczywistym (chociaż zazwyczaj nie zdają sobie z tego sprawy);

• ze względu na brak mechanizmów ochrony w trybie rzeczywistym, programy tworzone dla tego trybu pozwalają na wykonywanie ciekawych eksperymentów w zakresie funkcjonowania urządzeń komputera; dość wygodne są także sposoby komunikacji programów z systemem operacyjnym na poziomie języka asembler; z tego względu prawie wszystkie podręczniki programowania w asemblerze dla procesorów IA-32 skupiają się przykładach dla trybu V86;

• jednak programy dla trybu V86 stopniowo wychodzą z użycia, a najnowszy system MS Windows XP 64 nie jest przystosowany do wykonywania programów w trybie V86 — programy mogą być wykonywane wyłącznie w 32- i 64-bitowym trybie chronionym;

• w ciągu ostatnich kilku lat w architekturze procesorów pojawiły się nowe elementy, spośród których najważniejsze znaczenie mają:

• wprowadzenie architektury 64-bitowej,

• wprowadzenie przetwarzania wielowątkowego,

• rozpoczęcie produkcji procesorów wielordzeniowych;

wymienione elementy zostaną omówione w dalszej części wykładu.

Cykl rozkazowy

główną właściwością procesora jest zdolność do wykonywania obliczeń, m.in. zdolność do wykonywania działań arytmetycznych na liczbach;

w celu wykonania potrzebnych obliczeń procesor musi sukcesywnie otrzymywać informacje o kolejnych czynnościach, które mają zostać wykonane; instrukcje (rozkazy) przekazywane do procesora mają postać jednego lub kilku bajtów o ustalonej zawartości;

znaczenie różnych bajtów stanowiących instrukcje (rozkazy) zostało ustalone przez projektantów konkretnego typu procesora i jest powszechnie dostępne w literaturze technicznej; tak więc rozmaite czynności, które może wykonywać procesor, zostały zakodowane w formie ustalonych kombinacji zer i jedynek, składających się na jeden lub kilka bajtów;

zakodowany ciąg bajtów umieszcza się w pamięci operacyjnej komputera, a następnie poleca się procesorowi odczytywać z pamięci i wykonywać kolejne instrukcje; w rezultacie procesor wykonana szereg operacji, w wyniku których uzyskamy wyniki końcowe programu;

ze względu na to, że posługiwanie się w procesie kodowania programu wartościami zero-jedynkowymi byłoby bardzo kłopotliwe, wprowadzono skróty literowe (tzw. mnemoniki) dla poszczególnych instrukcji (rozkazów) procesora; i tak podane wcześniej instrukcje 01000010 i 01001010 zastępuje się mnemonikami INC  EDX (ang. increment zwiększenie) i DEC  EDX (ang. decrement zmniejszenie);

oczywiście, mnemoniki są niezrozumiałe dla procesora i przed wprowadzeniem programu do pamięci muszą być zamienione na kody zero-jedynkowe programy dokonujące takiej konwersji nazywane są asemblerami;

proces pobierania kolejnych instrukcji z pamięci operacyjnej i ich wykonywania musi być precyzyjnie zorganizowany, tak by natychmiast po wykonaniu kolejnej instrukcji procesor pobierał z pamięci następną; aby pobrać tę instrukcję, procesor musi oczywiście znać jej położenie w pamięci operacyjnej — informacje o położeniu kolejnej instrukcji są umieszczone w specjalnym rejestrze, nazywanym wskaźnikiem instrukcji;

31		15	7 0
EIP
		IP

• w architekturze IA-32 wskaźnik instrukcji jest rejestrem 32-bitowym oznaczonym symbolem EIP.




• jeśli wykonywany rozkaz (instrukcja) nie jest rozkazem sterującym, to w trakcie jego wykonywania zawartość wskaźnika instrukcji EIP jest zwiększana o liczbę bajtów zajmowanych przez ten rozkaz; przykładowo, jeśli omawiany wcześniej rozkaz dodawania zajmuje 3 bajty, to w trakcie jego wykonywania rejestr EIP zostanie zwiększony o 3; w rezultacie, po wykonaniu każdego rozkazu rejestr EIP wskazuje położenie kolejnego rozkazu do wykonania;

czynności wykonywane przez procesor w trakcie pobierania i wykonywania poszczególnych rozkazów powtarzane są cyklicznie, a cały proces nosi nazwę cyklu rozkazowego;




Rozkazy sterujące i niesterujące

• podstawowe operacje przetwarzania: przesyłanie, operacje arytmetyczne i logiczne, przesunięcia, itd., realizują rozkazy (instrukcje) określane jako niesterujące; charakterystyczną cechą tej klasy rozkazów jest to, że nie zmieniają one naturalnego porządku wykonywania rozkazów, co oznacza, że po wykonaniu rozkazu z tej klasy procesor rozpoczyna wykonywać rozkaz bezpośrednio przylegający w pamięci do rozkazu właśnie wykonanego; zatem kolejna zawartość rejestru EIP jest obliczana wg formuły:

EIP EIP + <liczba bajtów aktualnie wykonywanego rozkazu>

• dodatkową cechą rozkazów wykonujących operacje arytmetyczne i logiczne w procesorze zgodnym z architekturą IA-32 jest to, że ustawiają one niektóre bity w rejestrze znaczników w zależności od wyniku operacji; przykładowo, jeśli wynik operacji wynosi 0, to znacznik zera ZF przyjmuje wartość 1; w miarę potrzeby stan tych znaczników może być testowany przez (opisane dalej) instrukcje sterujące;

• jednak ww. instrukcje, mimo że posiadają kluczowe znaczenie dla kodowania algorytmów, wykonywane są po kolei, a więc są niewystarczające dla zakodowania wielu algorytmów, np. rozwiązywania równania kwadratowego;

• w trakcie rozwiązywania równania kwadratowego wyznacza się pewien wynik pośredni, zwany wyróżnikiem (delta), którego wartość determinuje sposób dalszych obliczeń. — m.in. zwykle rezygnujemy z dalszych działań, jeśli obliczony wyróżnik ma wartość ujemną;

• przekładając ten problem na poziom rozkazów procesora można stwierdzić, że w przypadku ujemnego wyróżnika należy zmienić naturalny porządek ("po kolei") wykonywania instrukcji i spowodować, by procesor pominął ("przeskoczył") dalsze obliczenia;

• można to bardzo łatwo zrealizować, jeśli do rejestru EIP zostanie dodana odpowiednio duża liczba (np. dodanie liczby 143 oznacza, że procesor pominie wykonywanie rozkazów zawartych w kolejnych 143 bajtach pamięci operacyjnej); oczywiście, takie pominięcie znacznej liczby rozkazów powinno nastąpić tylko w przypadku, gdy obliczony wyróżnik był ujemny;

• potrzebne są więc specjalne rozkazy (instrukcje), które w zależności od własności uzyskanego wyniku (np. czy jest ujemny) zmienią zawartość rejestru EIP, dodając lub odejmując jakąś liczbę, albo też zmienią zawartość EIP w konwencjonalny sposób — rozkazy takie nazywane są rozkazami sterującymi (skokowymi);

• rozkazy sterujące warunkowe na ogół nie wykonują żadnych obliczeń, ale tylko sprawdzają, czy uzyskane wyniki mają oczekiwane własności; w zależności od rezultatu sprawdzenia wykonywanie programu może być kontynuowane przy zachowaniu naturalnego porządku rozkazów (instrukcji) albo też porządek ten może być zignorowany poprzez przejście do wykonywania rozkazu znajdującego się w odległym miejscu pamięci operacyjnej; zazwyczaj jednak zakres „przeskakiwanych” adresów nie przekracza kilkudziesięciu, jedynie wyjątkowo osiągając wartości tysięcy czy milionów;

• w szczególności, jeśli rozkaz sterujący spowoduje zmniejszenie zawartości wskaźnika instrukcji EIP, to zazwyczaj procesor ponownie wykona rozkazy, które już przed chwilą wykonywał — powstaje więc pętla rozkazowa; poprzez wprowadzenie odpowiedniego licznika wykonywanie pętli kończy się po wykonaniu zadanej liczby powtórzeń;




• istnieją też rozkazy sterujące, zwane bezwarunkowymi, których jedynym zadaniem jest zmiana porządku wykonywania rozkazów (nie wykonują one żadnego sprawdzenia);

• w procesorach IA-32 rozmaite rozkazy sterujące testują zawartość pojedynczych bitów w rejestrze znaczników, a niekiedy obliczają pewne wyrażenia logiczne określone na tych bitach; dla każdego rozkazu sterującego (warunkowego) określono testowany warunek; poniżej podano przykładowo rozkazy sterujące, które testują stan znaczników ZF i CF w rejestrze znaczników:




• rozkaz jz przyjmuje, że warunek jest spełniony, gdy znacznik ZF = 1;

• rozkaz jnz przyjmuje, że warunek jest spełniony, gdy znacznik ZF = 0;

• rozkaz ja przyjmuje, że warunek jest spełniony, gdy znaczniki CF = 0 i ZF = 0;




• w zależności od tego czy warunek jest spełniony czy nie, do wskaźnika instrukcji EIP wpisywane są inne wartości, jak podano poniżej;

Obliczanie EIP przez rozkazy sterujące

1. gdy testowany warunek jest spełniony:

EIP EIP + <liczba bajtów aktualnie wykonywanego rozkazu> +

+ <zawartość pola adresowego rozkazu>

2. gdy testowany warunek nie jest spełniony

EIP EIP + <liczba bajtów aktualnie wykonywanego rozkazu>

Wprowadzenie do programowania

przypuśćmy, że w pamięci komputera, począwszy od adresu wirtualnego 72308H, znajduje się tablica zawierająca pięć liczb 16-bitowych całkowitych bez znaku; tablica ta stanowi część obszaru danych programu;

spróbujmy napisać fragment programu, który przeprowadzi sumowanie liczb zawartej w tej tablicy;




• dla uproszczenia problemu przyjmiemy, że w trakcie sumowania wszystkie wyniki pośrednie dadzą się przedstawić w postaci liczby binarnej co najwyżej 16-bitowej — innymi słowy w trakcie sumowania na pewno nie wystąpi przepełnienie (nadmiar);

• operacje sumowania zapiszemy najpierw w postaci symbolicznej; najpierw do rejestru AX zostaje załadowana wartość pierwszego elementu tablicy, i następnie do rejestru AX dodawane są wartości kolejnych elementów;

AX [72308H]

AX AX + [7230AH]

AX AX + [7230CH]

AX AX + [7230EH]

AX AX + [72310H]

• zapis [72308H] oznacza zawartość komórki pamięci znajdującej się w obszarze danych o offsecie podanym w nawiasach kwadratowych; litera H oznacza, że liczba podana jest w zapisie szesnastkowym;

• na poziomie rozkazów procesora, operacja przesłania zawartości komórki pamięci do rejestru realizowana przez rozkaz oznaczony skrótem literowym (mnemonikiem) MOV; rozkaz ten ma dwa argumenty: pierwszy argument określa cel, czyli "dokąd przesłać", drugi zaś określa źródło, czyli "skąd przesłać" lub "co przesłać":




• w omawianym dalej fragmencie programu mnemonik operacji przesłania zapisywany jest małymi literami (mov), podczas w opisach używa się zwykle wielkich liter (MOV) — obie formy są równoważne;

• rozkaz (instrukcja) przesłania MOV jest jednym z najprostszych w grupie rozkazów niesterujących — jego zadaniem jest skopiowanie zawartości podanej komórki pamięci lub rejestru do innego rejestru; w programach napisanych w asemblerze dla procesorów zgodnych z architekturą IA-32 rozkaz przesłania MOV ma dwa argumenty rozdzielone przecinkami;

• w wielu rozkazach drugim argumentem może być liczba, która ma zostać przesłana do pierwszego argumentu — tego rodzaju rozkazy określa się jako przesłania z argumentami bezpośrednimi., np.

MOV CX, 7305

• przypomnijmy, że rozkazy (instrukcje) niesterujące nie zmieniają naturalnego porządku wykonywania rozkazów, tzn. że po wykonaniu takiego rozkazu procesor rozpoczyna wykonywanie kolejnego rozkazu, przylegającego w pamięci do rozkazu właśnie zakończonego;

• argumenty rozkazów wykonujących operacje dodawania ADD i odejmowania SUB zapisuje się podobnie jak argumenty rozkazu MOV




• w identyczny sposób podaje się argumenty dla innych rozkazów wykonujących operacje dwuargumentowe, np. XOR; ogólnie rozkaz taki wykonuje operację na dwóch wartościach wskazanych przez pierwszy i drugi operand, a wynik wpisywany jest do pierwszego operandu; zatem rozkaz

„operacja” cel, źródło

wykonuje działanie

cel cel „operacja” źródło

• operandy cel i źródło mogą wskazywać na rejestry lub lokacje pamięci, jednak tylko jeden operand może wskazywać lokację pamięci;

• wyjątkowo spotyka się asemblery (np. asembler w wersji AT&T), w których wynik operacji wpisywany jest do drugiego operandu (przesłania zapisywane są w postaci skąd, dokąd);

• powracając do przykładu sumowania, wymagane operacje możemy teraz zapisać w postaci równoważnej sekwencji rozkazów procesora

mov ax, ds:[72308H]

add ax, ds:[7230AH]

add ax, ds:[7230CH]

add ax, ds:[7230EH]

add ax, ds:[72310H]

• występujący tutaj dodatkowy symbol ds: oznacza, że pobierane dane znajdują się w obszarze danych programu;

• omawiane operacje w postaci zrozumiałej dla procesora wyglądają tak:

01100110 10100001 00001000 00100011 00000111

00000000 (mov ax, ds:[72308H])

01100110 00000011 00000101 00001010 00100011

00000111 00000000 (add ax, ds:[7230AH])

01100110 00000011 00000101 00001100 00100011

00000111 00000000 (add ax, ds:[7230CH])

01100110 00000011 00000101 00001110 00100011

00000111 00000000 (add ax, ds:[7230EH])

01100110 00000011 00000101 00010000 00100011

00000111 00000000 (add ax, ds:[72310H])

Modyfikacje adresowe

podany w poprzedniej części sposób sumowania elementów tablicy jest bardzo niewygodny, zwłaszcza jeśli ilość sumowanych liczb jest duża;

• powtarzające się obliczenia wygodnie jest realizować w postaci pętli, ale wymaga to korekcji adresu instrukcji dodawania — w każdym obiegu pętli adres lokacji pamięci wskazujący dodawaną liczbę powinien być zwiększany o 2;

przedstawione problemy rozwiązuje się poprzez stosowanie modyfikacji adresowych — adres lokacji pamięci, na której wykonywane jest działanie określony jest nie tylko poprzez pole adresowe rozkazu, ale zależy również od zawartości jednego lub kilku wskazanych rejestrów;

w architekturze IA-32 dostępne są rozbudowane mechanizmy modyfikacji adresowych:

modyfikatorami mogą być dowolne 32-bitowe rejestry ogólnego przeznaczenia: EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP;

może również wystąpić drugi rejestr modyfikacji spośród ww. wymienionych, z wyłączeniem rejestru ESP;

drugi rejestr modyfikacji może być skojarzony z tzw. współczynnikiem skali, który podawany jest w postaci 1, 2, 4, 8 — podana liczba wskazuje przez ile zostanie pomnożona zawartość drugiego rejestru modyfikacji podczas obliczania adresu;




• adres efektywny (wirtualny) w trybie 32-bitowym obliczany jest modulo 232, tzn. bierze się pod uwagę 32 najmłodsze bity uzyskanej sumy;

przykładowo, adres efektywny poniższego rozkazu

sub eax, ds:[123H][edx][ecx4]

zostanie jako obliczony jako suma:

liczby 123H,

zawartości rejestru EDX,

zawartości rejestru ECX pomnożonej przez 4;

• w literaturze zawartość pierwszego rejestru modyfikacji nazywana jest adresem bazowym, a drugiego adresem indeksowym;

• w aplikacjach 16-bitowych modyfikatorami mogą być niektóre rejestry 16-bitowe: BX, BP, SI, DI oraz ich pary: (BX, SI), (BX, DI), (BP, SI), (BP, DI);

• obliczanie adresu efektywnego wg reguły modulo 232 pozwala uzyskiwać adresy efektywne mniejsze niż zawartość pola adresowego rozkazu — odpowiednio duże liczby umieszczone w polu adresowym działają tak liczby ujemne; ilustruje to poniższy przykład:

rozkaz mov ...., [ebx] + 000003A9H
. . .	. . .	A9	03	00	00




rejestr EBX

FFFFFFFCH

• adres efektywny powyższego rozkazu MOV wynosi 000003A5H i jest mniejszy niż zawartość pola adresowego rozkazu;

• niekiedy pole adresowe instrukcji jest całkowicie pominięte, a wartość adresu określona jest wyłącznie poprzez wskazane rejestry modyfikacji; takie rozwiązanie jest:

niezbędne, jeśli adres lokacji pamięci zostaje obliczony dopiero w trakcie wykonywania programu (nie jest znany ani w trakcie kodowania programu przez programistę ani też podczas translacji) — dotyczy to często kodu generowanego przez kompilatory języków wysokiego poziomu;

szczególnie korzystne w przypadku wielokrotnego odwoływania się do tej samej lokacji pamięci — ponieważ pole adresowe nie występuje, więc rozkaz może być zapisany na mniejszej liczbie bajtów (zwykle 2 bajty);

modyfikacja adresowa z użyciem rejestru EBP działa trochę inaczej; rejestry te zostały bowiem zaprojektowane do wspomagania operacji przekazywania parametrów do procedur za pośrednictwem stosu — z tego względu użycie ww. rejestrów jako modyfikatorów powoduje, że operacja zostanie wykonana na danych zawartych w obszarze stosu;

w programach asemblerowych, modyfikację adresową deklaruje się poprzez podanie w polu adresowym rozkazu nazwy rejestru w nawiasie kwadratowym; tego rodzaju operandy instrukcji nazywane są operandami modyfikacji adresowych; przykłady:

mov dh, [ebx]

mov [ecx], esi

• zapisy w dwóch poniższych wierszach są równoważne

mov bx, [eax] [edx2]

mov bx, [eax + edx2]

• nie dozwolone są wyrażenia modyfikacji adresowej, w których używane są rejestry 16- i 32-bitowe, np. mov edx, [eax + bx];

w operandach modyfikacji adresowych mogą także występować nazwy zmiennych i tablic, jak również pewne wartości stałe, np.

mov ax, tablica [ebx+ecx4+14]

posługując się modyfikacją adresową, omawiany wcześniej fragment programu obliczający sumę liczb można zakodować w formie pętli rozkazowej; w kolejnych obiegach pętli adres rozkazu dodawania ADD powinien zwiększać się o 2 — można to łatwo zrealizować poprzez uzależnienie adresu rozkazu od zawartości rejestru modyfikacji adresowej EBX;

ponieważ w kolejnych obiegach pętli rejestr EBX będzie zawierał liczby 0, 2, 4, ..., więc kolejne adresy efektywne rozkazu ADD, które stanowią sumę pola adresowego (tu: 7230AH) i zawartości rejestru EBX, będą wynosiły:

7230AH, 7230CH, 7230EH, 72310H

tak więc w każdym obiegu pętli do zawartości rejestru AX dodawane będą kolejne elementy tablicy liczb;

mov ecx, 4 ; licznik obiegów pętli

mov ax, ds:[72308H] ; początkowa wartość sumy

mov ebx, 0 ; początkowa zawartość rejestru

; modyfikacji adresowej

ptl_suma:

add ax, ds:[7230AH][ebx] ; dodanie kolejnego

; elementu tablicy

add ebx, 2 ; zwiększenie modyfikatora

loop ptl_suma ; sterowanie pętlą

• rozkaz LOOP stanowi typowy sposób sterowania pętlą: powoduje on odjęcie 1 od zawartości rejestru ECX, i jeśli wynik odejmowania jest różny od zera, to sterowanie przenoszone do rozkazu poprzedzonego podaną etykietą, a przeciwnym razie następuje przejście do następnego rozkazu; ponieważ początkowa zawartość rejestru ECX wynosiła 4, więc rozkazy wchodzące w skład pętli zostaną wykonane 4 razy;

rozpatrując rozkaz LOOP jako rozkaz sterujący (skokowy) można powiedzieć, że warunek testowany przez rozkaz jest spełniony, jeśli po odjęciu 1 zawartość rejestru ECX jest różna od zera — wówczas następuje skok, który polega na dodaniu do rejestru EIP liczby umieszczonej w polu adresowym rozkazu LOOP i zwiększeniu EIP o 2 (liczba bajtów rozkazu LOOP); jeśli warunek nie jest spełniony, to EIP zostaje zwiększony o 2.

Zestawienie różnych typów modyfikacji adresowych

• mechanizmy modyfikacji adresowych stosowane są od wielu lat w rozmaitych konstrukcjach procesorów; poniższa tablica zawiera zestawienie typowych trybów adresowania rozkazów; znaczna część podanych trybów jest implementowana w architekturze IA-32;

Adresowanie	Przykład	Znaczenie	Opis
Rejestro-we	add R4,R3	Regs[R4] ←Regs[R4] + Regs[R3]	dodawanie zawartości rejestrów
Natych-miastowe	add R4,#3	Regs[R4] ←Regs[R4] + 3	dodawanie liczby do rejestru
Przemie-szczenie	add R4,100(R1)	Regs[R4] ←Regs[R4] + Mem[100 + Regs[R1]]	dostęp do zmiennej lokalnej
Rejestro-we pośrednie	add R4, (R1)	Regs[R4] ←Regs[R4]+Mem[Regs[R1]]	dostęp przez wskaźnik
Indeksowe	add R3,(R1+R2)	Regs[R3] ←Regs[R3]+Mem[Regs[R1] +Regs[R2]]	w tablicach: R1 - adres tablicy, R2 - indeks w tablicy
Bezpośrednie	add R1,(1001)	Regs[R1] ←Regs[R1] + Mem[1001]	stosowane przy dostępie do da­nych statycznych
Pośrednie	add R1,@(R3)	Regs[R1] ←Regs[R1] +Mem[Mem [Regs[R3]]]	zob. przykład
Autoinkrementacja	add R1,(R2)+	Regs[R1] ←Regs[R1] +Mem[Regs[R2]] Regs[R2] ←Regs[R2]+d	stosowane w operacjach w tablicach
Autodekrementacja	add R1,− (R2)	Regs[R2] ←Regs[R2]-d Regs[R1] ←Regs[R1]+ Mem[Regs[R2]]	stosowane w operacjach w tablicach
Skalo-wanie	add R1,100(R2)[R3]	Regs[R1] ←Regs[R1] +Mem[100+ Regs[R2]+Regs[R3]*d]	stosowane w operacjach w tablicach

• poniższy rysunek ilustruje modyfikację adresową pośrednią, która na wskazaniu komórki pamięci, w której znajduje potrzebny adres; w architekturze IA-32 adresowanie pośrednie stosowane jest w rozkazach sterujących (skokowych).




Zasady kodowania w asemblerze

• wykonanie programu przez procesor wymaga uprzedniego załado­wa­nia do pamięci danych i rozkazów, zakodowanych w formie ciągów zerojedynkowych, zrozumiałych przez procesor; współczes­ne kompilatory języków programowania generują takie ciągi w sposób automatyczny na podstawie kodu źródłowego programu;

• niekiedy jednak celowe jest precyzyjne zakodowanie programu lub fragmentu programu za pomocą pojedynczych rozkazów procesora; dokumentacja techniczna procesora zawiera zazwyczaj tablice ciągów zerojedynkowych przypisanych poszczególnym operacjom (rozkazom procesora); jednak kodowanie na poziomie zer i jedynek, czyli w języku maszynowym zrozumiałym dla procesora, aczkolwiek możliwe, byłoby bardzo żmudne i podatne na pomyłki;

• istotną wadą kodowania w języku maszynowym jest także mała podatność na ewentualne zmiany i poprawki — nawet niewielka zmiana fragmentu kodu lub rozmiaru danych pociąga za sobą konieczność zmiany adresów wielu rozkazów programu;

• z tego powodu opracowano programy, nazywane asemblerami, które na podstawie skrótu literowego (tzw. mnemonika) opisującego czynności rozkazu dokonują zamiany tego skrótu na odpowiedni ciąg zer i jedynek; asemblery udostępniają wiele innych udogod­nień, jak np. możliwość zapisu liczb w systemach o podstawie 2, 8, 10, 16 czy też automatyczną zamianę tekstów znakowych na ciągi bajtów zawierające kody ASCII poszczególnych liter;

• zatem kodowanie programu w asemblerze powinno pozwalać na zapisywanie algorytmów za pomocą pojedynczych rozkazów procesora; także definiowanie danych powinno być realizowane na poziomie pojedynczych bajtów lub słów;

• od wielu lat we współczesnych asemblerach rysuje się tendencja wprowadzania coraz bardziej złożonych konstrukcji języka, które przyspieszają proces kodowania programu; jednak konstrukcje tego rodzaju, przejmując niektóre elementy języków wysokiego poziomu, odsuwają programowanie od procesora — są więc mało przydatne z punktu widzenia analizy architektury procesorów.

Asemblery: za i przeciw

• od wielu lat trwają dyskusje na temat przydatności kodowania programów na poziomie asemblera; poniżej wymieniono najczęściej podawane argumenty;

za:

1. argumenty edukacyjne: można poznać działanie procesora i komputera na poziomie rozkazów, można wybrać efektywną technikę kodowania programu;

2. asembler stanowi pomost łączący sprzęt i oprogramowanie: można poznać kody generowane przez kompilatory języków wysokiego poziomu, można identyfikować błędy trudne do znalezienia (ang. hard-to-find-errors); znajomość techniki kodowania w asemblerze stanowi podstawę do budowy kompilatorów, debuggerów i innych narzędzi;

3. w systemach wbudowanych, ze względu na ich mniejsze zasoby sprzętowe w porównaniu z PC, stosowanie asemblera może być konieczne ze względu na ostre wymagania dotyczące rozmiaru programu czy prędkości wykonywania;

4. oprogramowanie sterowników urządzeń korzysta zazwyczaj z rejestrów sterujących, które nie są dostępne w językach wysokiego poziomu;

5. kodowanie w asemblerze pozwala na tworzenie kodu samomodyfikującego się (aczkolwiek nie jest to zalecane ze względu na interferencje z kodem przechowywanym w pamięci podręcznej);

6. możliwa jest optymalizacja kodu ze względu na rozmiar zajmowanej pamięci i prędkość wykonywania.

przeciw:

1. czas opracowywania programu jest zazwyczaj bardzo długi;

2. kodowanie w asemblerze jest podatne na błędy, np. rzadko wprowadza się kontrolę bilansowania stosu;

3. identyfikacja błędów w programie jest czasami bardzo trudna, mimo stosowania debuggerów;

4. kod w asemblerze jest w pełni zrozumiały dla autora, dla innych osób może być słabo czytelny — utrudnia to wprowadzanie aktualizacji, szczególnie gdy autor nie pracuje już w firmie;

5. kod w asemblerze jest dość trudno przenieść na inną platformę sprzętową;

• wymienione przyczyny powodują, że kod asemblerowy stanowi zazwyczaj tylko fragment całego programu i często zawiera operacje krytyczne dla działania całej aplikacji.

Formaty wierszy źródłowych

uzup:	mov	cx, 78	; licznik obiegów
nazwa wiersza (etykieta)	akcja, którą na­leży wykonać	operandy (okreś­lają obiekty, na których zostanie wykonana akcja)	komentarz

• jeśli w zapisie instrukcji występują dwa operandy, to przyjmuje się, że wynik operacji zostanie wpisany do pierwszego operandu, np.

sub ecx, eax ; obliczenie ECX ECX EAX

var2	db	23	; prędkość
nazwa zmiennej	dyrektywa	operand	komentarz

num1	EQU	18H	; wartość max
nazwa stałej	dyrektywa	operand	komentarz

Niektóre rodzaje operandów

operandy stałe — stanowią pewne wartości liczbowe, które określane są w trakcie translacji programu, np.:

78

65535/3+7

'xy'

operandy adresowania bezpośredniego — wskazują adres fizyczny lokacji pamięci, np.:

mov dx, es:[31H]

operandy rejestrowe — tworzone są przez nazwę rejestru, np.

mov ax, 560BH

add ah, dl

div esi

inc cl

jmp ebp

operandy modyfikacji adresowych — omawiane były wcześniej;

Etykiety i zmienne w programie asemblerowym

• w pamięci głównej (operacyjnej) przechowywane są instrukcje (rozkazy) i dane programu; instrukcje (rozkazy) programu wykonują działania na danych zawartych w rejestrach i lokacjach pamięci; poszczególne instrukcje i dane zajmują jeden lub więcej bajtów;

• w programie asemblerowym niektóre obszary pamięci opatrywane są nazwami:

jeśli nazwa odnosi się do obszaru zawierającego instrukcję (rozkaz) programu, to nazwa taka stanowi etykietę,

jeśli obszar zawiera zmienną (daną), to nazwa obszaru stanowi nazwę zmiennej;

• nazwę w sensie asemblera tworzy ciąg liter, cyfr i znaków ? (znak zapytania), @ (symbol at), _ (znak podkreślenia), $ (znak dolara); nazwa nie może zaczynać się od cyfry;

• etykietę, wraz ze znakiem : (dwukropka), umieszcza się przed instrukcją, np.

powtorz: mov dl, [ecx]

taka konstrukcja oznacza, że obszar kilku bajtów pamięci, w których przechowywany jest kod podanej instrukcji mov dl, [ecx] ma swoją unikatową nazwę, czyli etykietę; w trakcie asemblacji programu etykiecie przypisywana jest wartość równa odległości pierwszego bajtu obszaru (liczonej w bajtach) od początku segmentu kodu;

• zmienne w programie deklaruje się za pomocą dyrektyw:

DB - definiowanie bajtu (8 bitów),

DW - definiowanie słowa (16 bitów),

DD - definiowanie słowa podwójnej długości (32 bity),

DF - definiowanie 6 bajtów (48 bitów);

DQ - definiowanie słowa poczwórnej długości (64 bity),

DT - definiowanie 10 bajtów (80 bitów).

po lewej stronie dyrektywy podaje się nazwę zmiennej, a po prawej wartość początkową; znak zapytania (?) oznacza, że wartość początkowa zmiennej jest nieokreślona; nazwę zmiennej można pominąć; przykłady:

kcal DB 169

linia7a DQ ?

DW 19331

elem_sygn DD 18B706H

alfa dw 4567H, 5678H, 6789H

nazwy zmiennych mogą występować w polu operandu instrukcji — operandy tego rodzaju nazywa się operandami relokowalnymi, ponieważ położenie zmiennych nie jest ustalone podczas kodowania programu, np.:

xor ebx, elem_sygn

add si, alfa [edi]+2

w asemblerze przyjęto, że nazwa zmiennej występująca w po­lu operandu rozkazu (podobnie jak nazwa rejestru) oznacza, że działanie ma być wykonane na zawartości tej zmiennej;

w trakcie asemblacji nazwie każdej zmiennej przypisywana jest wartość równa odległości pierwszego bajtu tej zmiennej (liczonej w bajtach) od początku segmentu danych; jeszcze raz podkreślamy: omawiana wartość nie jest wartością zmiennej, ale jest przypisywana nazwie zmiennej i określa położenie zmiennej w pamięci;

w polu operandu dyrektywy DB mogą występować także łańcuchy znaków, np.

DB 'Politechnika Gdańska', 0DH, 0AH

jeśli tekst nie mieści się w jednym wierszu (który może zawierać co najwyżej 128 zna­ków), to można kontynuować w następnym wierszach, za każdym razem poprzedzając go dyrektywą DB;

jeśli podane wartości są liczbami całkowitymi, to asembler two­rzy ich reprezentacje binarne przyjmując, że naj­mniej znaczący bit ma wagę 20 ; liczby dziesiętne poprzedzone znakiem + i liczby bez znaku traktowane są jednakowo: zamiana na kod binarny wykonywana jest przy założeniu, że wszystkie bity w bajcie, w słowie, itd. są bitami znaczącymi (nie występuje bit znaku); dla liczb ujemnych stosuje się kod U2, przy czym przyjmuje się, że bit znaku zajmuje skrajną lewą pozycji bajtu, słowa, itd.; w szczególności oznacza to, że wiersze

DB 128

DB +128

generują takie same kody binarne 10000000;

• należy zwracać uwagę na dopuszczalne zakresy zmienności argumentów podanych dyrektyw;

• w polu operandu omawianych dyrektyw mogą występować zarówno pojedyncze liczby jak i ciągi liczb rozdzielonych przecinkami; jeśli ciąg składa się z jednakowych elementów, to można zastosować operator powtarzania DUP, np. wiersz:

sumy DW 5432H, 5432H, 5432H, 5432H, 5432H

można zapisać w krótszej postaci równoważnej:

sumy DW 5 DUP (5432H)

operator DUP generuje wskazaną ilość elementów podanych w nawiasie — stanowi więc wygodny sposób tworzenia tablic; w nawiasie moż­na także umieścić znak zapytania (?) oznaczający element o nieokreślonej wartości począt­kowej, co pozwala na tworzenie tablic złożonych z elementów o nieokreślonej wartości początkowej, np.

tabl_wynikow dd 24 dup (?)

liczby z kropką oddzielającą część ułamkową mogą występować jako operandy dyrektyw DD, DQ, DT - liczby takie są przekształcane na postać zmiennoprzecinkową binarną, np.:

c_Eulera DT 0.577215 ; stała Eulera

— — — — — — — — — — — — — — —

fld c_Eulera ; załadowanie stałej Eulera ; na stos koprocesora

Rozmiary operandów

instrukcje procesorów IA-32 wykonują działania na bajtach (8 bitów), słowach (16-bitów), podwójnych słowach (32-bity), obiektach 48-, 64- i 80-bitowych; jeśli instrukcja wymaga podania dwóch operandów, to prawie zawsze muszą być one jednakowej długości, np.:

sub ecx, edi ; obliczenie ECX ECX EDI

add eax, dx ; błąd !!! — dodawanie

; zawartości rejestru 16-bitowego

; do 32-bitowego

wyjątkowo, jeśli jeden z operandów znajduje się w pamięci, to możliwa jest doraźna zmiana rozmiaru (typu) zmiennej za pomocą operatora PTR, np.

blok_sys dd ? ; zmienna 32-bitowa

— — — — — — — — —

mov cx, word PTR blok_sys

mov dx, word PTR blok_sys+2

w powyższym przykładzie do rejestru CX zostanie wpisana młodsza część 32-bitowej zmiennej blok_sys, a rejestru DX starsza część tej zmiennej; w przypadku pominięcia operatora PTR sygnalizowany byłby błąd asemblacji wynikający z niejednakowej długości obu operandów;

ogólnie: operator PTR używany jest w wyrażeniach adresowych do ścisłego określania atrybu­tów symbolu występującego w wyrażeniu adresowym; po prawej stronie operatora występu­je wyrażenie adresowe, a po lewej atrybut spośród następujących: byte (8 bitów), word (16 bitów), dword (32 bity), fword (48 bitów), qword (64 bity), tword (80 bitów);

• operator PTR stosuje się także w przypadkach, gdy wyrażenie adresowe nie pozwala na jednoznaczne przetłumaczenie rozkazu, np. poniższy rozkaz stanowi tzw. odwołanie anonimowe (nie zawiera nazwy zmiennej)

mov [ebx], 65

operandy rozkazu nie precyzują czy liczba 65 ma zostać zapisana w pamięci jako liczba 8-bitowa, 16-bitowa czy 32-bitowa — zamiast podanego wyżej rozkazu programista musi wyraźnie określić rozmiar liczby podając jeden z trzech poniższych rozkazów

mov byte PTR [ebx], 65

mov word PTR [ebx], 65

mov dword PTR [ebx], 65

• operator PTR stosuje się także przy określaniu adresów rozkazów sterujących (skoków);

• należy zwrócić uwagę, że operator PTR nie dokonuje konwersji typów; działa on tylko w trakcie asemblacji programu i nie może zastępować rozkazów wykonywanych w trakcie realizacji programu; z tego powodu poniższy rozkaz

mov ebx, dword PTR dh ; błąd !

jest błędny; konwersję taką można zrealizować za pomocą niżej opisanych rozkazów MOVSX lub MOVZX;

• reguła dotycząca jednakowej długości operandów nie obowiązuje w odniesieniu do rozkazów MOVSX i MOVZX; rozkazy powodują przepisanie zawartości 8- lub 16-bitowego rejestru (lub zawartości lokacji pamięci) do rejestru 16- lub 32-bitowego; w przypadku rozkazu MOVZX brakujące bity w rejestrze docelowym uzupełniane są zerami, zaś w przypadku MOVSX bity te są wypełniane przez wielokrotnie powielony bit znaku kopiowanego rejestru; przykłady

liczba_proc db 145 ; zmienna 8-bitowa

— — — — — — — — —

movzx edx, liczba_proc

movsx edx, bh

• rozkaz MOVSX stosuje się do kopiowania liczb ze znakiem — po zwiększeniu ilości bitów liczby, jej wartość pozostaje niezmieniona.

Operator OFFSET

• w praktyce programowania posługujemy się zarówno zawartościami pewnych obszarów pamięci, jak też i ich adresami;

• położenie zmiennej (lub rozkazu) we pamięci określa się poprzez podanie odległości, liczonej we bajtach, zmiennej od początku segmentu — odległość ta nazywana jest przesunięciem lub offsetem i można ją wyznaczyć za pomocą operatora OFFSET; przykładowo, adres zmiennej moc_czynna, która została zdefiniowana w segmencie danych

_DATA SEGMENT . . . . . . . . . . . .

moc_czynna dw 800

— — — — — — — — — — — —

można wpisać do rejestru EBX za pomocą rozkazu

mov ebx, OFFSET moc_czynna

• położenie to można odszukać w sprawozdaniu z asemblacji zawartym w pliku .LST; adresy zawarte w pliku .LST określane są taki sposób, jak gdyby segment danych lub rozkazów miał być umieszczony w pamięci począwszy od adresu 0;

• położenie pewnej lokacji pamięci względem początku segmentu można także wyzna­czyć za pomocą rozkazu LEA, który wyznacza adres efektywny rozkazu, czyli położenie lokacji pamięci (względem początku segmentu), na której zostanie wykonana operacja; zatem podany wyżej przykład można przedstawić w innej postaci

lea ebx, moc_czynna

• rozkaz LEA wyznacza adres efektywny w trakcie wykonywania programu, podczas gdy wartość operatora OFFSET obliczana jest w trakcie translacji (asemblacji) programu; należy zwrócić uwagę, że rozkaz LEA nigdy nie odczytuje zawartości lokacji pamięci;

• rozkaz LEA używany jest także w obliczeniach nie zawsze związanych z wyznaczeniem adresu zmiennej, np. można go zastosować do obliczenia sumy zawartości rejestrów:

lea eax, [ebx + ecx]

zamiast tradycyjnego rozwiązania

mov eax, ebx

add eax, ecx

• niekiedy rozkaz LEA używany do mnożenia:

lea eax, [eax + eax∗4]

zamiast tradycyjnego rozwiązania

mov ebx, 5

mul ebx

• takie konstrukcje trzeba jednak stosować ostrożnie, ponieważ w przypadku rozkazu LEA ewentualny nadmiar nie jest sygnalizowany;

• jak już wcześniej powiedzieliśmy, programy wykonywane w systemie Windows lokowane są w pamięci wirtualnej począwszy od adresu 400000H (4 MB); oznacza to, że w trakcie konsolidacji (linkowania) programu, a później bezpośrednio przed uruchomieniem programu, adresy obliczone podczas asemblacji muszą dostosowane do aktualnego położenia programu w pamięci;
  
  

• tak więc adresy obliczone w czasie asemblacji należy traktować jako wartości wstępne, na podstawie których w kolejnych etapach zostaną wyznaczone właściwe adresy wirtualne; ogólnie, wyrażenia adresowe opisujące adresy zmiennych czy położenie rozkazów, noszą nazwę operandów relokowalnych jeśli adres przypisany danej lub rozkazowi może ulegać zmianie w kolejnych etapach translacji programu;

• podstawową zaletą opisywania położenia danych (lub rozkazów) za pomocą operandów relokowalnych jest możliwość elastycznego rozmieszczania poszczególnych fragmentów programu w dostępnych obszarach pamięci wirtualnej.

Asemblacja programów

• w procesie translacji programu zakodowanego w asemblerze wyróżnia się asemblację, konsolidację (linkowa­nie) i ładowanie; w językach wysokiego translacja przebiega podobnie, przy czym zamiast asemblacji stosowana jest kompilacja;

• w istocie zarówno asemblacja jak i kompilacja mają na celu przekształcenie kodu źródłowego programu na ciąg instrukcji procesora, aczkolwiek uzyskany ciąg (zawarty w pliku z rozszerzeniem .OBJ) wymaga jeszcze dalszych przekształceń, które wykonywane są w trakcie konsolidacji i ładowania;

• asemblacja realizowana jest dwuprzebiegowo: w każdym przebiegu czytany jest cały plik źródłowy (ściśle: moduł) od początku do końca;

• w pierwszym przebiegu asembler stara się wyznaczyć ilości bajtów zajmowane przez poszczególne rozkazy i dane; jednocześnie asembler rejestruje w słowniku symboli wszystkie pojawiające się definicje symboli (zmiennych i etykiet);

• w drugim przebiegu asembler tworzy kompletną wersję przetłumaczo­nego programu określając adresy wszystkich rozkazów w oparciu o informacje zawarte w słowniku symboli;

• w procesie asemblacji programów istotną rolę odgrywa rejestr programowy (tj. definiowany przez asembler), zwany licznikiem lokacji;

• licznik lokacji określa adres komórki pamięci operacyjnej, do której zostanie przesłany aktual­nie tłumaczony rozkaz lub dana; po załadowaniu rozkazu lub danej, licznik lokacji zostaje zwiększony o ilość bajtów zajmowanych przez ten rozkaz lub daną; w trakcie tłumaczenia pierwszego wiersza segmentu licznik lokacji zawiera 0;

• jeśli asembler napotka wiersz zawierający definicję symbolu, to rejestruje go w słow­niku symboli, jednocześnie przypisując temu symbolowi wartość równą aktualnej zawartoś­ci licznika lokacji; ponadto zapisywane są także atrybuty symbolu, jak np. far, byte, itp;

• w celu dokładniejszego wyjaśnienia omawianego postępowania rozpatrzmy przykład:

gamma dw ?

beta db ?

alfa dd 74567H, 885678H, 789H, 0A15FF3H, 89ABH

— — — — — — —

mov ebx, 12

sub eax, alfa ; odjęcie liczby 74567H od EAX

mov edx, alfa+4 ; wpisanie 885678H do EDX

add esi, alfa [ebx]+4 ; dodanie 89ABH do ESI

po wczytaniu segmentu danych (w którym zdefiniowano zmienne: gamma, beta, alfa) słownik symboli zawiera następujące pozycje

alfa Dword 0003 _DATA

beta Byte 0002 _DATA

gamma Word 0000 _DATA

• tłumaczenie rozkazu mov ebx, 12 nie wymaga zaglądania do słownika symboli — wystarczy tylko zamienić mnemonik mov na odpowiedni kod binarny, następnie określić kod binarny rejestru ebx oraz liczbę 12 przedstawić w postaci 32-bitowej liczby binarnej, co prowadzi do podanego niżej rozkazu 5-bajtowego

BB

0C

00

00

00

• tłumaczenie następnych rozkazów jest bardziej skomplikowane: w celu wyznaczenia pola adresowego asembler musi każdorazowo odszukiwać w słowniku symboli wartość przypisaną nazwie alfa — wartość licznika lokacji dla segmentu danych w chwili wystąpienia definicji zmiennej alfa wynosiła 3, zatem wartość przypisana nazwie alfa wynosi 3; należy zwrócić uwagę, że liczba 3 nie jest tu wartością zmiennej alfa, lecz jej adresem względem początku segmentu danych; w rezultacie trzy kolejne rozkazy zostaną przetłumaczone na poniższą postać binarną

sub eax, alfa
2B	05	03	00	00	00

mov edx, alfa + 4
8B	15	07	00	00	00

add esi, alfa [ebx] + 4
03	B3	07	00	00	00

• zauważmy, że dwa ostatnie rozkazy mają identyczne pole adresowe (cztery ostatnie bajty);

• licznikiem lokacji można się także posługiwać w programie źródłowym - aktualna za­wartość licznika lokacji jest reprezentowana przez symbol $; symbol $ może stanowić operand w wyrażeniach języka asembler, reprezentujący bieżącą lokację wewnątrz aktualnie tłumaczonego segmentu;

Przykład: podany niżej dwubajtowy rozkaz jmp powoduje przejście do następnego rozkazu. Obok podano postać rozkazu po asemblacji. Czasami tego rodzaju rozkazy umieszcza się w programie w celu wprowadzenia dodatkowego opóźnienia.

EBH

00H

jmp $+2

• dyrektywa ORG umożliwia wpisanie do licznika lokacji potrzebnej wartości, np.:

ORG 100H

• w polu operandu dyrektywy ORG można podać wyrażenie arytmetyczne czasu translacji, np. dyrektywa ORG   $+7 powoduje zwiększenie aktualnej zawartości licznika lokacji o 7;

• dyrektywa ORG może także zastępować dyrektywę DB — dyrektywy podane w lewej i w prawej kolumnie mają ten sam skutek:

ela LABEL byte ORG $+5

ela DB 5 DUP (?)

Przykład

Wykorzystując symbol $ można łatwo wyznaczyć liczbę znaków łańcucha, np.:

blad_par db 'Podano błędne parametry', 0DH, 0AH

wiel = $ blad_par

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

mov cx, wiel

wartość wyrażenia $ blad_par obliczana jest w trakcie asemblacji programu, a nie w czasie jego wykonywania (co jest charakterystyczne dla języków wysokiego poziomu) — z tego powodu wyrażenia tego rodzaju nazywane są wyrażeniami arytmetycznymi czasu translacji; także zmienna wiel jest zmienną czasu translacji, co oznacza, że dla zmiennej tej nie jest rezerwowany żaden obszar w programie wynikowym; innymi słowy zmienna wiel funkcjonuje jedynie w czasie translacji (asemblacji) programu; zauważmy, że trakcie asemblacji instrukcji mov zmienna czasu translacji wiel traktowana jest jako liczba, a nie jako nazwa zmiennej zdefiniowanej za pomocą dyrektywy DW.

Sprawozdanie z przebiegu translacji programu

• w trakcie asemblacji tworzony jest plik z rozszerzeniem .LST zawierający obszerne sprawozdanie z jej przebiegu (tzw. listing asemblacji); analogicznie w trakcie konsolidacji tworzony jest plik z rozszerzeniem .MAP;

• w pliku .LST podawane są kolejne wiersze programu źródłowego oraz wygene­rowany na ich podstawie kod półskompilowany (ang. object code); podane są także nazwy i wartości wszystkich etykiet, zmien­nych i symboli stosowanych w programie źródłowym; sygnalizowane są też ewentualne błędy; poniżej podano przykładowy fragment tego pliku obejmujący trzy rozkazy programu

000000A6 8A 03 nowy: mov al, [ebx]

000000A8 43 inc ebx

000000A9 3C 0A cmp al,10

• w końcowej części sprawozdania podany jest słownik symboli używanych w programie.

Kod asemblerowy w wersji AT&T

• omawiany wcześniej asembler został zaprojektowany przez firmę Intel dla wytwarzanych przez nią procesorów; dostępne są także asemblery używające innych składni języka, spośród których najbardziej znana jest składnia AT&T stosowana w Linuksie;

• zasadnicze różnice między tymi asemblerami są następujące:

• nazwy rejestrów poprzedzone są znakiem %

• przesłania zapisywane są w postaci skąd, dokąd

• prawie każdy rozkaz posiada jawnie zdefiniowany rozmiar operandów, określony przez ostatnią literę instrukcji

movl (%ebx), %eax

mov eax, dword ptr [ebx]

• wartości bezpośrednie są poprzedzone znakiem $, np.

movl $1, %ebx

mov ebx, 1

• liczby w zapisie szesnastkowym poprzedzone są znakami 0x (tak jak w C)

• modyfikacje adresowe stosują dość specyficzną notację

movl (%ebx), %eax movl 3(%ebx), %eax mov (%ebx, %ecx), %eax mov (%ebx, %ecx, 2), %eax

mov eax, [ebx] mov eax, [ebx+3] mov eax, [ebx + ecx] mov eax, [ebx + ecx*2]

• segmenty są deklarowane poprzez nazwy, np. .text, .bss

• część rozkazów procesora posiada odmienne mnemoniki, np. cwb

• komentarze poprzedzone są znakiem #

1

2

1

37

11

42

11

24

93










---