12. Maschinennahes Programmieren

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1 12. Maschinennahes Programmieren Der Kern jedes Computers oder jeder Microcontroller-gestützten Schaltung ist ein Prozessor: in Hochleistungsservern sind es 64-Bit-Prozessoren (z.b. vom Typ Spark oder Itanium) in Workstations bzw. PCs sind es 32Bit-Prozessoren (überwiegend heute vom Typ Pentium x) in Schaltungen diverse Microcontroller (z.b. von Motorola, Intel, u.a.m.). Hier soll es um einen Vergleich gehen, der sich bei den universellen Prozessoren auf die 32-Bit-Architektur begrenzt und jeweils von einem potenten Repräsentanten ausgeht. Das soll für die universellen Prozessoren die Pentium4-x-Architektur und für die Microcontroller die 8x51-Architektur sein. Adress- und Speicherräume für Microprozessoren und Microcontroller Der erste fundamentale Unterschied zwischen den beiden Architekturen soll am Datenverkehr zwischen dem Prozessor/Microcontroller und dem Hauptspeicher deutlich gemacht werden: Datenbits: D-D 0 63 Adressbits: A-A 3 35 Prozessor Speicherraum (main memory + i/o memory) max x 64Bit Ein Prozessor der Klasse Pentium4 liest/schreibt an seiner Pin-Schnittstelle 64Bit- Wörter und kann davon 2 33 adressieren. Die Bits A 0, A 1, A 2 dienen der Adressierung der Bytes innerhalb eines 64Bit-Wortes. Diese Größenordnung spiegelt die Forderung wider, sehr große Programme in den Hauptspeicher () laden zu können und bei Bedarf mehrere nebeneinander (nebenläufig, concurrent) ablaufen zu lassen. 90

2 Adressbits: A-A 0 15 Datenbits: D-D 0 7 Program Storage Enable µ-controller main memory max x 16 2 xrom Microcontroller der Klasse 8x51 gibt es in ROM-losen Versionen, die mit Speicher außerhalb des Microcontrollers zusammenarbeiten, und Versionen, die über ROM- Speicher im Microcontroller verfügen und die damit ohne externen Speicher eingesetzt werden können. In der ROM-losen Version mit externem Speicher liest/schreibt der Microcontroller an seiner Pin-Schnittstelle -Wörter und kann maximal 2 16 in einem lesen und schreiben und 2 16 in einem EPROM als Programm lesen. Die -Signale liegen direkt an den Pins des Controllers. Bei der Nutzung mit externem Speicher verlieren einige -Signale ihre frei verfügbare -Funktion und werden als Adress- und Datenbits für den Zugriff zum Speicher verwendet. Das gilt auch für die Plastic-Lead-Chip-Carrier (PLCC) und die Quad-Flat-Pack (QFP) Bauform der Microcontroller. Adressbits: A-A 0 7 Adressbits: A-A 0 12 (8K) oder A-A (16K) 0 13 oder A-A (32K) 0 14 PU ROM 91 Datenbits: D-D 0 7 Datenbits: D-D 0 7

3 In der ROM-Version kann der Microcontroller maximal 2 8 -Wörter im internen Speicherraum ( + ) lesen und schreiben und - je nach IC-Typ , 2 14, oder Wörter in einem (EP)ROM als Programm lesen. Die -Signale an der Pin-Schnittstelle des Controllers stehen ohne Einschränkung zur Verfügung. Die ROM-Version wird überwiegend in der PLCC- bzw. der QFP- Bauform verwendet. Zeiger beim Adressieren (Pointer, Indizes), Adressierungsverfahren Man bezeichnet einen konkreten Adresswert beim Speicherzugriff als Zeiger. Zeiger verweisen also auf Speicherzellen, für deren Inhalt man sich interessiert. Eine Variable, die konkrete Adresswerte annehmen kann, ist - genau bezeichnet - eine Zeigervariable. Jedoch verwendet man in höheren Programmiersprachen dafür auch einfach die Bezeichnung Zeiger (Pointer). Ein Register, das einen konkreten Adresswert enthält, um damit zum Speicher zuzugreifen, ist einer Zeigervariablen funktional vergleichbar. Es wird als Zeigerregister bezeichnet, häufiger aber als Indexregister. Die Adressen in Microcontrollern sind physikalische Adressen, d.h. sie adressieren unmittelbar die Speicherzellen im physikalischen Speicherraum. ROM-lose Version Zeigerregister Zeigerregister PU 16Bit() 16Bit(ROM) ROM 1 Program Storage Enable ROM-Version Zeigerregister Zeigerregister PU 13/14/15Bit ROM 8KB oder 16KB oder 32KB PU = Processing Unit im Microcontroller 92

4 Bei der ROM-losen Version erkennt man die Trennung zwischen externem und internem Adressraum. Außerdem gibt es eine Trennung zwischen dem Adressraum für externen Schreib/Lese-Speicher () und dem Adressraum für externen Programmspeicher (EPROM). Bei der ROM-Version entfallen die Adressräume für den externen Speicher. Aber es gibt eine Trennung zwischen dem Adressraum für den internen Schreib/Lese- Speicher und dem Adressraum für den internen Programmspeicher. Die Tatsache, dass der interne Adressraum für die Adressierung der -Register und den zusammen nur 256 Adressen umfasst, ist ein Mangel. Er ergibt sich aus dem Wunsch nach Kompatibilität zu den ersten Controllern, die nach diesem Konzept auf den Markt kamen. Die Zahl der Bits der Zeiger entspricht der Größe der Adressräume. Adresswerte für einen Speicherzugriff können nun nicht nur in einem Indexregister gespeichert sein, sondern auch in einem Maschinenbefehl, wenn man eine Speicherzelle adressieren will, die durch den Befehl verarbeitet werden soll. Um die beiden Speicherzugriffsarten voneinander zu unterscheiden, nennt man die Adressierung über ein Indexregister indirekte Adressierung. Diejenige mit der Adressierung im Maschinenbefehl nennt man direkte Adressierung. ROM-lose Version Adresse im Zeigerregister für Befehlszugriffe: instruction pointer register oder program counter register 16Bit 16Bit Operandenadresse im Befehl internes Adresse im Zeigerregister für Datenzugriffe: data pointer register ROM-Version Adresse im Zeigerregister für Befehlszugriffe: instruction pointer register oder program counte r reg ister: 13, 14 oder 15 Bit Operandenadresse im Indexre gister 13/14/15Bit Op erand enadresse im Indexregister Operandenadresse im Befehl internes internes ROM 93

5 Bei einem Zugriff zum internen Speicher wird entweder die Adresse im Indexregister oder die Adresse im Befehl genommen. In der ROM-losen Version wird entweder mit der Adresse im Program Counter Register zum Programmspeicher oder mit der Adresse im Data Pointer Register zum - Speicher zugegriffen. Maschinenbefehle werden immer indirekt über ein spezielles Register adressiert, das man Befehlszeiger-Register (instruction pointer register) oder Befehlszähler-Register (program counter register) nennt. Die Zahl der Bits dieses Registers richtet sich nach der Größe des internen Befehlsspeichers. In der ROM-losen Version gibt es die beiden gleich großen Adressräume für externen und ROM von jeweils max. 64 KB und die dafür notwendigen 16Bit- Zeigerregister. Adressiert man eine Speicherzelle im Speicherraum, dann bezieht man sich auf ihren Inhalt. Soll der Inhalt verarbeitet werden, dann wird er gelesen und meistens im Prozessor in einem Register gespeichert. Umgekehrt kann ein in einem Register gespeicherter Inhalt in eine Speicherzelle im Speicherraum geschrieben werden. ROM-lose Version Befehl ssregister Arbeitsregister: Quelle und Senke für Speicherzugriffe, Quelle für Operanden und Senke für Resultate: Akkumulator internes ROM-Version Befehlssregister Arbei tsregister: Quelle und Senke für Speicherzugriffe, Quelle für O peranden und Senke für Resultate: Akkumulator 13/14/15Bit Datenwörter Datenwörter Befehlswörter 16Bit 16Bit Befehlswörte r internes internes ROM Die gelesenen Befehlsbytes eines Maschinenbefehls werden gesammelt, bis ein vollständig interpretierbarer Befehl vorliegt. Das ist Aufgabe des Befehlsregisters. 94

6 Das Akkumulator-Register (oder kurz: der Akkumulator) ist das zentrale Arbeitsregister der Microcontroller 8x51. Damit sind die grundsätzlichsten Register der 8x51-Architektur eingeführt. Es gibt neben dem Akkumulator noch ein weiteres Arbeitsregister, das sog. B-Register. Außerdem: bestimmte Speicherwörter im können als Arbeits- oder Indexregister verwendet werden und es gibt es noch ein Zeigerregister für den Stapelspeicher im (stackpointer). Das sei hier erwähnt, damit man nicht den Eindruck erhält, als sei die Erklärung der Registerstruktur des 8x51 vollständig. Die vollständige Beschreibung ist hier nicht beabsichtigt. Das Speicherkonzept von Microprozessoren Noch einmal ausdrücklich: Jede Adresse (Index, Pointer) ist im Falle eines Microcontrollers eine physikalische Adresse. Man kann die modernen Microprozessoren auch so einstellen, dass die Zeiger physikalische Adressen sind. Diese Betriebsart ist aber völlig unbedeutend geworden, weil eine andere Betriebsart den Anforderungen der Nutzer besser entspricht. Zur Unterscheidung zu den Microcontrollern folgende Feststellung: Bei Microprozessoren gibt es keine Unterscheidung zwischen einem Zugriff zu und einem zum ROM bzw. zwischen einem zum internen oder einem zum externen Adressraum. Es gibt nur einen einzigen Adressraum Der Adressraum hat aber zusätzlich eine besondere Eigenschaft: die Adressen in Microprozessoren sind keine physikalischen Adressen, sondern fiktive Adressen, die man üblicherweise als virtuelle Adressen bezeichnet. 32Bit-Adresse Umsetzung virtuelle Adresse virtueller Adressraum in physikalische Adresse 36Bit-Adresse physikalischer Adressraum Speicherraum (main memory + i/o memory) max x 64Bit Prozessor Die Zeiger, die ein Anwenderprogramm auf der Ebene der Maschinenbefehle verwendet, haben 32 Bit, sei es, dass sie in einem Register stehen, sei es, dass sie in einem Maschinenbefehl stehen. Man sagt auch: dem Anwenderprogramm steht ein Adressraum von 2 32 Adressen zur Verfügung. Ein ablauffähiges Anwenderprogramm entsteht durch Übersetzung aus einem Programmtext, der in einer höheren Programmiersprache oder in der Assemblersprache des Zielsystems erstellt wurde. Das übersetzte Programm besteht aus einer Folge von Bytes, die vom ersten bis zum letzten Byte einen Speicherraum definierter Länge erzeugen. Dieser Speicherraum wird in gleich lange Seiten eingeteilt (typisch: 4 KB). 95

7 Beim Ablauf eines Programms wird Befehl nach Befehl abgearbeitet, wobei die Reihenfolge der Befehlsadressen eine Spur von Zugriffen erzeugt, die innerhalb der Seiten und von Seite zu Seite verfolgbar ist. Zu einem bestimmten Moment des Ablaufs ist immer nur eine einzige Seite wichtig, nämlich die, in der der Befehlszeiger gerade adressiert. Nur diese Seite muss im Hauptspeicher verfügbar sein. Sobald der Befehlszeiger eine neue andere Seite adressiert, muss diese geladen werden und die verlassene kann geladen bleiben, oder aber überschrieben werden. Das Konzept des Überschreibens oder Nicht-Überschreibens beeinflusst die Ablaufzeit; denn mehr geladene Seiten vermeiden Ladezeiten, wenn die Spur des Programmablaufs wieder dorthin zurückkehrt. Wenn man aber mehrere Programme nebenläufig abarbeiten will, wird schnell mehr Bedarf an belegbarem Hauptspeicherplatz entstehen und schon geladene Seiten müssen überschrieben werden. Damit wird das Verfahren angedeutet, das man Seitenwechselmechanismus nennt und das Grundlage der Realisierung des virtuellen Speicherkonzepts ist. Der Seitenwechselmechanismus ist eine Dienstleistung des Betriebssystems zusammen mit den Hardware-Mechanismen, die im Prozessor vorbereitet sind. Der Seitenwechselmechanismus entscheidet über die Lage der Seite im Hauptspeicher, die durch die physikalische Anfangsadresse der Seite im Hauptspeicher eindeutig gekennzeichnet ist. Die Umsetzung der Adresse erfolgt mit folgender Zuordnung: Wird nach dem Laden der Seite bei jedem Speicherzugriff gemäß Tabellen des Betriebssystems automatisch ersetzt. virtuelle Adresse virtuelle Seitenadresse physikalische Seitenanfangsadresse physikalische Adresse Offset Offset Wird bei jedem Speicherzugriff automatisch in die physikalische Adresse übernommen. Das virtuelle Adressierungskonzept macht den Programmierer, der in maschinennaher Sprache programmiert, unabhängig von der physikalischen Lage des Programms. Er hat auch gar keinen Einfluss darauf; denn darüber entscheidet das Betriebssystem erst beim Programmablauf nach Lage der aktuellen Belegung des Hauptspeichers. 96

8 Auch hier soll die Quelle/Senke beim Datentransfer zum/vom Speicher berücksichtigt werden. 32Bit- Adresse Umsetzung virtuelle Adresse in physikalische Adresse 36Bit-Adresse Speicherraum (main memory + i/o memory) max x 64Bit 32Bit-Datenwort Prozessor Tatsächlich gibt es in modernen Microprozessoren keine Register mehr, die jeweils nur einen einzigen Zweck erfüllen, also entweder als Indexregister oder als Arbeitsregister verwendet werden (special purpose register). Vielmehr kann jedes Register für beide Zwecke verwendet werden (general purpose register). Im Beispiel Pentium4 gilt folgendes: AX 32Bit-Adresse BX CX DX SI DI 32Bit-Datenwort Prozessor Umsetzung virtuelle Adresse in physikalische Adresse 36Bit-Adresse Speicherraum (main memory + i/o memory) max x 64Bit Die Register sind entweder als Indexregister oder als Arbeitsregister verwendbar. Im Pentium4 gibt es 6 32Bit-Register, die wahlweise als Index- oder als Arbeitsregister verwendet werden können. Die Namen der Register sind kompatibel zu denen, die in den Vorgänger- Prozessoren des Pentium4 verwendet wurden. 97

9 Die Inhalte der Arbeitsregister sind die Operanden, die die Maschinenbefehle zu Resultaten verarbeiten, die wieder in Arbeitsregistern gespeichert werden. Die Operanden und Ergebnisse können also maximal 32 Bit lang sein. Deshalb nennt man den Pentium4 einen 32Bit Prozessor. 64Bit Prozessoren arbeiten mit 64Bit-Arbeitsregistern. Man beachte, dass die Speicherwortlänge 64Bit beträgt. Das ist aber nicht ausschlaggebend für die Bezeichnung des Prozessors. Der Maschinenbefehlssatz eines Minimal-Prozessors Vereinbarungen für die Adressierung bei Speicherzugriffen Im Folgenden sollen die Prinzipien von Maschinenbefehlssätzen erläutert werden. Es wird ein Minimal-Befehlssatz sein; denn er kann nicht gleichzeitig alle Anforderungen aus der Sicht der Microcontroller und aus der Sicht der Microprozessoren erfüllen. Der Minimal-Prozessor hat die Eigenschaft der Microprozessoren, dass es nur einen einzigen Adressraum gibt. D.h., dass die Unterscheidung zwischen Programm- und Datenspeicher-Adressraum und die Unterscheidung zwischen internem und externem Adressraum entfallen und dass alle Zeiger die gleiche Länge n haben. Der Adressraum des Minimalprozessors soll nicht virtuell sein, sondern physikalisch wie bei den Microcontrollern. Der Minimalprozessor soll nur special-purpose-register haben, und zwar ein Indexregister und ein Arbeitsregister. Die Speicherwortlänge soll (wie die Register) n Bit betragen. In dexregister n Bit n Bit Befehlsre gister: ganzzahliges Vielfach von n Bit Arbeitsregister Program Counter Register n Bit n B it n Bit Speicherraum Diese Vereinheitlichung macht die Konzentration auf die grundsätzlichen Merkmale eines Befehlssatzes deutlicher. 98

10 Die elementare Arbeitsweise eines Prozessors Die Programmablaufsteuerung eines Prozessors arbeitet nach einer elementaren Regel: zuerst muss ein Befehl geholt werden, bevor er ausgeführt werden kann und wenn ein Befehl geholt wird, dann wird er auch ausgeführt. In Microcontrollern wird grundsätzlich erst der nächste Befehl geholt, wenn der vorherige fertig ausgeführt ist und das wird zyklisch wiederholt. In Microprozessoren nutzt man die Tatsache, dass man Befehle im voraus holen und ausführen kann, weil sie keine Resultate vorausgehender Befehle abwarten müssen. Dadurch gelingt es, mehrere Befehle im Prozessor nebenläufig zu bearbeiten (instruction level parallelism) und damit einen schnelleren Programmdurchlauf zu erreichen. Der angenommene Minimalprozessor soll nach dem Prinzip der Microcontroller arbeiten. Befehl holen (instruction fetch) Diese Aktionen wiederholen sich, bis die Ablaufsteuerung auf einen Befehl zum Anhalten trifft. Befehl ausführen (instruction execute) I m n Bit x Be fehlsregiste r: ganzzahliges Vielfach m vo n n Bit I z.b. mov A, Befehlsregister: ganzzahliges Vielfach m von n Bit n Bit A PC Speicherraum A PC Spe i- cherraum Die entscheidende Rolle beim Programmablauf hat der Program Counter. Er ist das Objekt, mit dem die Programmablaufsteuerung den Programmablauf steuert. Dass dabei der Programmierer mit seinen Befehlen die übergeordnete Leitfunktion hat und die Programmablaufsteuerung nur die ausführende Rolle hat, wird bei der Erläuterung des Befehlssatzes deutlich. Das Arbeitsprinzip der Programmablaufsteuerung ist einfach: Solange ein Befehl den normalen Programmablauf nicht widerruft, wird der in der gespeicherten Reihenfolge nächste Befehl geholt und ausgeführt. Das bedeutet im Normalfall: Wenn die Adresse des Program Counter auf das letzte nbit-wort eines Befehls verweist, dann muss er um 1 inkrementiert werden, um das erste nbit-wort des nächsten auszuführenden Befehls zu adressieren. Genau mit dieser Adresse beginnt die instruction-fetch-phase, wenn bei der Ausführung eines programmsteuernden Befehls nicht widerrufen wird. Um zu widerrufen, braucht man programmsteuernde Befehle, die im Folgenden Verzweigungsbefehle genannt werden. 99

11 Der Befehlssatz In einem Befehlssatz unterscheidet man die Befehle nach der Operation, die sie auf einen oder zwei Operanden ausüben. Die Operanden werden im Befehl entweder unmittelbar oder durch direkte oder indirekte Adressierung angegeben. Im Befehl muss auch erklärt sein, wo das Resultat gespeichert werden soll. In den Intel-Prozessoren (und dazu kompatiblen) ist festgelegt: der erste im Befehl angegebene Operand wird mit dem Resultat überschrieben. Man unterscheidet folgende Befehlsgruppen: Transferbefehle, z.b. MOVE Arithmetische Befehle, z.b. Addieren Logische Befehle, z.b. ODER Nicht bedingte Verzweigungsbefehle: die Spur des Programmablaufs folgt nicht mehr der Reihenfolge, in der die Befehle gespeichert sind, sondern verzweigt bewusst zu einer angegebenen Zieladresse, z.b. JUMP Ziel Bedingte Verzweigungsbefehle: die Entscheidung, ob die Spur des Programmablaufs weiter der gespeicherten Reihenfolge folgt oder zu einer bewusst angegebenen Zieladresse verzweigt, hängt von einem vorausgegangenen Verarbeitungsergebnis ab, z.b. JUMP IF EQUAL Ziel. Verzweigungsbefehle zu einer Programmroutine und zurück, deren Ablauf bewusst eingeschoben wird, bevor es mit dem Programm, das die Routine zwischenschiebt, weiter geht; die zwischengeschobene Routine bewirkt die Rückkehr in das aufrufende Programm mit einem Rückkehrbefehl, z.b. CALL Ziel, RETURN. Systemsteuerungsbefehle, z.b. HALT Im Befehlssatz des Minimal-Prozessors sind (bis auf die Verzweigungen zu Routinen und zurück) alle Befehlsgruppen vertreten: das kann man leicht im Überblick durch Vergleich der Kürzel feststellen, die die Operationen angeben. Die ausgewählten Befehlsvarianten sind nur eine kleine Auswahl der Varianten, die in tatsächlichen Prozessoren genutzt werden. Da es hier nur um eine prinzipielle Einführung geht, die die Anfangsschwierigkeiten beim Lernen der tatsächlichen maschinennahen Sprachen vermindern soll, ist die Auswahl repräsentativ genug. Die mnemotechnische Notation beschreibt die Operation mit einem leicht zu merkenden Kürzel. Nach der Angabe des Kürzels folgt ein Zwischenraum und danach folgen zwei Angaben, die durch ein Komma getrennt sind. Man nennt diese Felder auch Befehlsparameter oder einfach Parameter. Hier wird eine Notation gewählt, die vor dem Komma eine Quelle bzw. Senke annimmt und nach dem Komma eine Quelle. Die Notation lehnt sich damit an diejenige an, die bei Intel üblich ist. 100

12 Bei einem Zwei-Operanden Befehl stehen steht vor dem Komma das Merkmal des ersten Operanden, das auch die Senke für das Resultat bestimmt, und nach dem Komma steht das Merkmal des zweiten Operanden. Bei Transferbefehlen steht vor dem Komma das Merkmal der Senke und nach dem Komma das Merkmal der Quelle. Selbst als maschinennaher Programmierer möchte man sich möglichst wenig mit physikalischen Adressen auseinandersetzen. Deshalb hat man in der maschinennahen Programmiersprache Sprachkonstrukte geschaffen, die das Verwenden von numerischen Werten, also von Adresswerten oder zu verarbeitenden unveränderlichen Zahlenwerten, vermeidbar macht. Das wichtigste Sprachkonstrukt ist die Definition einer Variablen. Dabei kann man mit einer Zeichenkette einen Namen (identifier) bilden. Dieser Name wird mit einer Definitionsanweisung verbunden, die genau angibt, wie viele Bytes (im Folgenden Speicherwort genannt) im Speicher reserviert werden sollen: Z.B. jahr_in_bcd DW DW als Anweisungskürzel für define word. Die Anweisung reserviert ein Speicherwort von zwei Bytes im Speicher des Programms. Das Speicherwort wird mit dem Namen jahr_in_bcd identifiziert. Man könnte nun auf den Gedanken kommen, dass der Übersetzer auf die Speicherzellen-Struktur des Hauptspeichers Rücksicht nimmt, die z.b. beim Pentium4 Speicherzellen von 64Bit voraussetzt. Nimmt der Übersetzer jeweils eine Speicherzelle für jede Variablendefinition, gleichgültig, wie viele Bytes die Variablendefinition festlegt?? Das ergäbe eine Vergeudung von Speicherplatz. Der Übersetzer vergeudet bei der Umsetzung der Definitionsanweisungen keinen Speicherplatz. Er packt die Speicherwörter der im Programmtext nacheinander erfassten Variablendefinitionen lückenlos hintereinander. Also: Sobald der Übersetzer eine Definitionsanweisung im Programmtext findet, reserviert er das entsprechende Speicherwort und ordnet dem Namen die Anfangsadresse zu. Das muss die Anfangsadresse in Byte sein, damit man den Anfang eindeutig innerhalb eines 64Bit-Wortes (also dem Speicherzellenformat) finden kann. Sobald der Übersetzer die nächste Definitionsanweisung findet, belegt er die nächsten folgenden Bytes im Speicher des Programms, usw. Der Übersetzer ersetzt also den Namen durch die tatsächliche Anfangsadresse, die er in den Maschinenbefehl einträgt. Der Programmierer hat damit nichts mehr zu tun. Da ein solches Speicherwort veränderliche Werte annehmen kann, wird es als Realisierung einer Variablen bezeichnet. Der Variablenname steht für den Inhalt des Speicherwortes. Man kann auch Ketten von Variablen (Felder, Arrays) definieren oder Strukturen. Das soll hier aber nicht vertieft werden. 101

13 Register sind Speicherworte im Prozessor. Wenn der Name eines Speicherwortes im Speicherraum außerhalb des Prozessors für seinen Inhalt steht, dann soll auch der Name eines Registers für seinen Inhalt stehen. In programmsteuernden Befehlen muss man den Zielort angeben können, damit zu der Programmablauf zu diesem verzweigen kann, wenn er von der gespeicherten Reihenfolge abweichen soll. Der Zielort ist die Anfangsadresse des Ziel- Befehlswortes. Wenn man nun im Programmtext vor dem Zielbefehl einen eindeutigen Namen (Marke, Label) angibt, mit dem der Zielbefehl identifiziert werden kann, dann kann man diese Marke im programmsteuernden Befehl angeben. Die Angabe der Marke soll mit einem bestimmten Zeichen abgeschlossen sein, das in der Befehlsangabe nicht verwendet werden darf. Hier soll es das übliche Abschlusszeichen : sein. Der Übersetzer ist in der Lage, die Marken, die im Programmtext erscheinen, den Anfangsadressen der damit markierten Befehlswörter zuzuordnen. Das sind wieder Anfangsadressen in Byte, weil auch die Befehlwörter dicht gepackt gespeichert werden. Die Anfangsadressen fügt er beim Übersetzen in die programmsteuernden Befehle ein. Variable werden als veränderliche Speicherwörter realisiert. Ihr Inhalt kann Befehlen als Operand dienen oder Resultatspeicher. Das ist ja typisch für eine Veränderliche: man kann ihren Wert manipulieren. Es gibt aber auch Operanden, die unveränderlich sind, z.b. unveränderliche Zahlenwerte. Diese bezeichnet man als Konstante. Solche Konstanten werden unmittelbar im Befehl angegeben, der sie als Operand verwendet. Damit sind Konstanten immer Bestandteil des unveränderlichen übersetzten Maschinenprogramms. Oft ist es sinnvoll, im Befehl nicht einen numerischen Wert anzugeben, sondern einen symbolischen Namen, der die Funktion der Konstanten erkennbar macht, z.b. sekpromin für 60. Auch dafür gibt es ein Sprachkonstrukt z.b sekpromin EQU 60. EQU für equate: setze gleich. So kann man Konstante auch mit Hilfe eines Namens als Operand verwenden. Die hier vorgestellten Merkmale sind fundamentale Merkmale der so genannten Assembler-Sprache, die man bei der maschinennahen Programmierung einsetzt. Die Assemblersprache entlastet den Programmierer von überflüssigen hardwarenahen Details. Das Übersetzer-Programm setzt den Programmtext mit seinen abstrahierenden Sprachkonstrukten in die maschinengeeignete Form um. Das Übersetzer-Programm wird als Assembler bezeichnet. 102

14 Befehlssatz Mnemotechnische Notation Lade reg mit Konstante mov reg, KONSTANTE reg = A oder reg = I Lade A mit I mov A, I Lade I mit A mov I, A Lade reg mit Variable mov reg, Variablenname reg = A oder reg = I Lade Variable mit reg mov Variablenname, reg reg = A oder reg = I Lade A mit Wort in indirekt über I mov A, [ I ] Lade Wort in indirekt über I aus A mov [ I ], A Inkrementiere I um 1 inc I Z und C verändert Dekrementiere I um 1 dec I Z und C verändert Addiere reg plus Konstante oder Variable oder Wort in indirekt über I und gib Resultat in reg Subtrahiere reg plus Konstante oder Variable oder Wort in indirekt über I und gib Resultat in reg Von reg wird der 2. Operand subtrahiert. Das Ergebnis wird nicht in reg geschrieben, sondern es wird in Zustandsbits festgehalten, ob gilt: Zero-Bit: 1 = equal, 0 = not equal Carry-Bit: 0 = greater, 1 = below. jump equal, wenn der compare- Befehl equal festgestellt und festgehalten hat. jump Programmablauf anhalten add reg, KONSTANTE add reg, Variablenname add reg, [I] sub reg, KONSTANTE sub reg, Variablenname sub reg, [I] cmp reg, KONSTANTE cmp reg, Variablenname je marke jmp marke hlt reg = A oder reg = I Z und C verändert reg = A oder reg = I Z und C verändert reg = A oder reg = I Die Adressierungsalternativen, die man bei der Auswahl der Operanden hat, nennt man Adressmodifikationen. Hier werden die drei wichtigsten genannt: die Konstantenangabe, als numerischer Wert oder als Namen, die direkte Adressierung, als Variablennamen oder als Marke, die indirekte Adressierung, durch Angabe des Indexregisters (in dem hoffentlich der richtige Wert steht, der zur gewünschten Variablen verweist). Das ist der Befehlssatz, der den Klausuraufgaben zugrunde liegt. Die Blanko- Klausuren stellen zwei Probleme vor, an denen man selbständig die Anwendung üben kann. Die funktionale Notation des Befehlssatzes entfällt, weil sie keine Nähe zu tatsächlichen Assemblersprachen hat. 103