... Adressierung und Befehlsfolgen (1) Speicherbelegung. Hauptspeicheradressen. Inhalt von Speicherbelegungen: Operanden - Zahlen - Zeichen Befehle

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1 Adressierung und Befehlsfolgen (1) Speicherbelegung Hauptspeicheradressen Inhalt von Speicherbelegungen: Operanden - Zahlen - Zeichen Befehle Address 0 1 i k 2-1 n bits word 0 word 1 b n-1 b 1 b 0 word i k word 2-1

2 Adressierung und Befehlsfolgen (2) Beispiele für kodierte Information in einem 32-Bit Wort

3 Adressierung und Befehlsfolgen (3) Beispiele für Byte-Adressierung Byte-Adresse des Wortes Byte-Adresse im Wort Byte-Adresse des Wortes Byte-Adresse im Wort K K K K K K K K K K - 4 Big Endian Little Endian

4 Adressierung und Befehlsfolgen (3a) Speicherbelegung ab Adresse Bit-Wort nach Big-Endian Little-Endian h

5 Adressierung und Befehlsfolgen (4) Datentransfer zwischen Hauptspeicher und CPU-Registern Speicherplätze werden durch Namen identifiziert Der Inhalt eines Speicherplatzes A wird durch [A] bezeichnet Ausführen von logisch/arithmetischen Operationen auf Daten Beispiel: C [A] + [B] durch 3-Adress-Befehle 2-Adress-Befehle 1-Adress-Befehle Befehlsausführung 2 Phasen: - Befehlsholphase (instruction fetch) - Befehlausführungsphase (instruction execute)

6 Adressierung und Befehlsfolgen (5) lineare Befehlsfolge (straight-line sequencing) Ein im Speicher geladenes Programm für C [A] + [B]

7 Adressierung und Befehlsfolgen (6) Befehlsverzweigung (branching) Ein Programm zur Addition von n Zahlen

8 Adressierung und Befehlsfolgen (7) Addition von n Zahlen mit Hilfe einer Schleife

9 Adressierung und Befehlsfolgen (8) Condition Codes Vier häufig benutzte bits (flags) in einem Condition Code Register (CCR) oder Status Register N (negativ) gesetzt auf 1, wenn Resultat negativ, sonst 0 Z (null) gesetzt auf 1, wenn Resultat null, sonst 0 V (overflow) gesetzt auf 1, wenn arithm. Überlauf auftritt, sonst 0 C (Übertrag) gesetzt auf 1, wenn Übertag auftritt, sonst 0

10 Adressierung und Befehlsfolgen (9) Adressmodi Der Begriff Adressmodus bezieht sich auf die Art und Weise, in welcher der Operand eines Befehls spezifiziert ist. Bisher angewandt wurden direkte Adressmodi register mode Der Operand ist Inhalt eines CPU-Registers, dessen Name im betreffenden Befehl angegeben ist. absolute mode Der Operand ist Inhalt eines Speicherplatzes, dessen Adresse explizit im betreffenden Befehl angegeben ist.

11 Adressierung und Befehlsfolgen (10) Weitere grundlegende Adressmodi sind immediate mode Der Operand ist explizit im betreffenden Befehl angegeben. indirect mode Die effektive Adresse des Operanden ist Inhalt eines Registers oder Speicherplatzes, dessen Adresse im betreffenden Befehl angegeben ist. Dieses Register bzw. der Speicherplatz heißt Zeiger (pointer). index mode Die effektive Adresse des Operanden wird durch Addition einer Konstanten zum Inhalt eins Registers erzeugt. Dieses Register heißt Index Register. Diese Konstante wird auch offset oder displacement genannt.

12 Adressierung und Befehlsfolgen (11) Die folgenden zwei Adressmodi sind nützlich für den Zugriff auf Inhalte von aufeinanderfolgenden Speicherplätzen: autoincrement mode Die effektive Adresse des Operanden ist Inhalt eines im betreffenden Befehl spezifizierten Registers. Nach dem Holen dieses Operanden wird der Inhalt dieses Registers automatisch inkrementiert (um 1 erhöht) und zeigt so auf das nachfolgende Datum der Liste. autodecrement mode Im Unterschied zum autoincrement mode wird hier das Register automatisch dekrementiert (um 1 erniedrigt).

13 Adressierung und Befehlsfolgen (12) Prinzip der indirekten Adressierung Anwendung der Indirekten Adressierung auf die Addition von n Zahlen

14 Adressierung und Befehlsfolgen (13) Zwei Möglichkeiten zur Realisierung des Indexmodus

15 Adressierung und Befehlsfolgen (14) Einfaches Beispiel für die Anwendung der Indexadressierung

16 Adressierung und Befehlsfolgen (15) Anwendung des autoincrement mode auf das Beispiel der indirekten Adressierung

17 Adressierung und Befehlsfolgen (16) Assemblersprache (Überblick) Motivation: Maschinenbefehle werden durch Bitfolgen dargestellt. Diese Bitfolgen werden nun durch symbolische Namen ersetzt. Beispielsymbole: MOVE, ADD, R3 Definitionen: Eine vollständige Menge von symbolischen Namen zusammen mit den Regeln für ihren Gebrauch beschreiben eine Programmiersprache, genannt Assemblerspache. Die symbolischen Namen heißen mnemonics. Die entsprechenden Regeln, dargestellt in Form von vollständigen Befehlen und Programmen, heißt Syntax der Sprache. Der Assembler ist ein spezielles Programm, welches ein Assemblerprogramm (Quellprogramm) automatisch in die Maschinensprache(Objektprogramm) übersetzt.

18 Adressierung und Befehlsfolgen (17) Speicherdarstellung des Additionsprogramms von (12):

19 Adressierung und Befehlsfolgen (18) Damit ein Objektprogramm so im Speicher abgelegt werden kann, muss dem Assembler noch folgende Info bereitgestellt werden: Wie sind Namen zu interpretieren? Wo ist das Objektprogramm im Speicher abzulegen? Welcher Speicherumfang wird zur Bereitstellung der Daten benötigt? Diese geschieht in der Sprache mittels Assemblerdirektiven (auch: Assemblerkommandos)

20 Adressierung und Befehlsfolgen (19) Vollständiges Quellprogramm für das Beispiel:

21 Adressierung und Befehlsfolgen (20) branch offset: Implementierung eines Verzweigungsbefehls durch Angabe der Adressendistanz zwischen diesem Befehl und dem Verzweigungsziel. (relative Adressierung) Symboltabelle: enthält die den Namen des Quellprogramms zugeordneten numerischen Werte Two--Pass Assembler: In einem 1. Lauf durch das Quellprogramm wird die Symboltabelle erstellt. Im 2. Lauf werden dann alle Namen entsprechend der Tabelle ersetzt. Lader: Programm, welches Objektprogramm in Speicher lädt. Debugger: Programm, welches dem Nutzer ermöglicht, die Ausführung des Objektprogramms zu unterbrechen, um sich zwecks Fehlersuche Speicher- bzw. Registerinhalte anzusehen. Zahlendarstellung: Die meisten Assemblersprachen erlauben verschiedene Arten der Zahlendarstellung, jeweils entsprechend spezifiziert in ihrer Syntax.

22 Adressierung und Befehlsfolgen (21) Grundlegende I/O-Operationen am Beispiel eines Videoterminals Videoterminal (VT): Tastatur + Bildschirm program-controlled I/O Unterschiedliche Geschwindigkeiten zwischen Prozessor und VT Synchronisationsmechanismen erforderlich: zeichenweise echoback: Kommunikation Tastatur - CPU - Bildschirm BUS CPU DATAIN SIN Keyboard DATAOUT SOUT Display Kommunikationsarchitektur Video terminal

23 Adressierung und Befehlsfolgen (22) I/O-Befehle: READWAIT Branch to READWAIT if SIN = 0 Input from DATAIN to R1 WRITEWAIT Branch to WRITEWAIT if SOUT = 0 Output from R1 to DATAOUT memory-mapped I/O I/O-Befehle: READWAIT Testbit #3, IOSTATUS Branch=0 READWAIT Move DATAIN, R1 WRITEWAIT Testbit #4, IOSTATUS Branch=0 WRITEWAIT Move R1, DATAOUT

24 Adressierung und Befehlsfolgen (23) Stacks Definition: Liste von Datenelementen (meistens Worte oder Bytes), welche nur von einem Ende der Liste (top) bedient werden kann, heisst Stack. Oberes Ende: top Unteres Ende: bottom Operationen: push - drauflegen pop - herunterholen Der Stack arbeitet nach dem LIFO-Prinzip. (last in first out)

25 Adressierung und Befehlsfolgen (24) Hauptspeicher organisiert als Stack: Stack pointer register Stack SP Current top element BOTTOM 43 Bottom element k 2-1

26 Adressierung und Befehlsfolgen (25) stack pointer (SP): CPU-Register, welches Adresse des momentanen top des stacks enthält. push - Operation: Decrement Move SP newitem, (SP) Pop - Operation: Move Increment (SP), item SP Beispiel: move newitem, -(SP) ; push item move (SP)+, item ; pop item Beispiel Intel, Z80... : push pop newitem item

27 Adressierung und Befehlsfolgen (26) Effekt von push und pop auf dem Stack SP Old SP Old SP SP Stack Newitem 19 Newitem 19 Item Item -28 (a) After push from Newitem (b) After pop into Item Achtung: im Beispiel wird jeweils von der gleichen Ausgangssituation ausgegangen! Siehe hierzu Folie 24.

28 Adressierung und Befehlsfolgen (27) Sichere Stack-Opeationen: Problem: Lösung: Push und pop Operationen müssen symmetrisch ausgeführt werden, d.h. zu jeder Push-Operation gehört eine Pop-Operation. Ist dies nicht gegeben oder führen Programme unkontrolliert Rekursionsaufrufe aus, So kann der Stack über alle Grenzen wachsen und Programme / Daten überschreiben. Entsprechende Konfusion entsteht beim Unterlauf des Stacks. Kontrolle des Stacks auf Einhaltung von Grenzen.

29 Adressierung und Befehlsfolgen (28) Queues (Schlangen) Definition: Liste von Datenelementen (meistens Worte oder Bytes), welche von beiden Enden der Liste bedient werden kann, heißt Queue. Dabei werden neue Elemente an einem Ende hinzugefügt, am anderen Ende werden Elemente entfernt. Prinzip: FIFO (first in first out) Unterschiede zum Stack: Beide Enden der Queue bewegen sich als Folge Operationen Es werden 2 Pointer (Zeiger) zur Markierung der Enden benötigt Eine Queue kann kontinuierlich durch den Speicher wandern Sonderform: Ringpuffer

30 Adressierung und Befehlsfolgen (29) Subroutines (Unterprogramme) CISC RISC Call_Subroutine Verringere Stack-Pointer um 1 Adresswort Speichere den Inhalt des PC (program counter) auf dem Stack Verzweige zu der im Befehl spezifizierten Zieladresse - Speichere den Inhalt des PC (program counter) im link register Verzweige zu der im Befehl spezifizierten Zieladresse Return_from_Subroutine Verzweige zu der auf dem Stack enthaltenen Adresse Verzweige zu der im Link Register enthaltenen Adresse Erhöhe SP um 1 Adresswort

31 Adressierung und Befehlsfolgen (30) Unterprogrammaufruf (subroutine linkage) mit Hilfe des link registers Memory location Calling program Memory location Subroutine SUB Call_subroutine SUB next instruction 1000 first instruction Return_from_subroutine 1000 PC 201 Link Call 201 Return

32 Adressierung und Befehlsfolgen (31) Parameterübertragung bei Umterprogrammaufruf Beispiel: Das Programm Addiere n Zahlen als aufrufbares Unterprogramm

33 Adressierung und Befehlsfolgen (32) Level 3 Level 2 Level 1 [R2] [R1] [R0] Return Address n List