DATEN UND BEFEHLSFORMATE, ADDRESSIERUNGSARTEN UND MASCHINEN- PROGRAMMIERUNGSKONZEPTE

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1 D - CA - IV - AA - 1 HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN INSTITUT FÜR INFORMATIK Vorlesung 4 DATEN UND BEFEHLSFORMATE, ADDRESSIERUNGSARTEN UND MASCHINEN- PROGRAMMIERUNGSKONZEPTE Sommersemester 2003 Leitung: Prof. Dr. Miroslaw Malek

2 D - CA - IV - AA - 2 Einige grundlegende Informationstypen Information Daten Befehle Nichtnumerische Daten Zahlen Festkomma Fließkomma Binär Dezimal Binär Dezimal

3 D - CA - IV - AA - 3 Daten und Instruktionsformate Adressierungsmethoden und maschinensprachliche Programmierungskonzepte Formate (PDP-11, Motorola 68000, Pentium, PowerPC) Adressen Adressierungsarten Einfache E/A Programmierung Vergleich: Kellerspeicher und Registerverwaltung

4 Datenformate D - CA - IV - AA - 4 Bei der Auswahl der Darstellung von Zahlen sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden. 1. Typen der Zahlen, die dargestellt werden müssen, z.b. ganze Zahlen, reelle Zahlen, komplexe Zahlen. 2. Der Wertebereich, der abgedeckt werden soll 3. Die Genauigkeit der Zahlen 4. Die Kosten der Hardware für Speicherung und Verarbeitung der Zahlen

5 D - CA - IV - AA - 5 Befehlsformate Bei der Auswahl der Befehlsformate sollten die folgenden Faktoren berücksichtigt werden. 1. Die Anzahl der zu repräsentierenden Befehle. 2. Adressierung und Adressierungsart. 3. Leichte Dekodierung. 4. Typ des Befehlsfeldes (fest oder variabel) 5. Die Kosten der Hardware zum Dekodieren und Ausführen der Befehle

6 Befehls- und Datenformate der PDP - 11 D - CA - IV - AA - 6 Befehlsformate Befehlscode Adresse 1-Adresse 10 BIT 6 BIT 8 Adressierungsarten Mode R N 8 Register Befehlscode ADR. 1 ADR. 2 2-Adresse 4 bit 6 bit 6 bit SRC DST Sprung Mode R n Mode R n Befehlscode Offset 8 bit 8 bit Sprungadresse = [ aktualisierter PC ] + 2 x Offset Datenformate 16 bit 2er-KOMPLEMENT 8 bit 8 bit Zeichen Zeichen

7 D - CA - IV - AA - 7 Befehlsformate des PowerPC (1) OP code RD/RS RA VAL (2) OP code RD/RS RA RB XO FL (3) OP code BO BI Branch Destination (4) OP code Target FL FL (5) OP code RS / RD RA / VAL RB / VAL RC / VAL VAL / XO 31 FL RD: Zielregister, RS: Quellregister, RA: Zusätzliches Register, RB: Drittes Register, FL: Flags, XO: Extra Opcode, VAL: Direktwert (als Zahl, Offset, Maske etc.), BO / BI : Sprungbedingungen

8 D - CA - IV - AA - 8 Datenformate für PowerPC Byte 0 Byte 1 Byte 7 Halbwort 0 Halbwort 2 Wort 0 Wort 1 Doppelwort 0 Big-Endian ist der voreingestellte Modus. Little-Endian ist auch möglich.

9 Grundbefehlsformat & PDP-11 Adressfeld D - CA - IV - AA - 9 OP CODE ADRESSE ADRESSE MODUS R n MODUS RN Register (0) R 0 (RN)+ Autoinc. (2) R 1 -(RN) Autodec. (4) X(RN) Index (6) R 7 wenn "1, dann indirekt

10 Der Mikroprozessor Adressierungsarten & Befehle 68000, 68020, 68030, & (zwei Architekturen) 16-bit extern & 32-bit intern - 64 Pins (16 Daten, 24 Adress.) 32, 16 & 8 Bit Worte (Operanden) (Byte Operand) (Andere Modelle besitzen 32 Bit Daten und Addressen) byte word long word 8 DATENREGISTER, (USER STACK POINTER 8 ADRESSREGISTER SUPERVISOR STACK POINTER) BEFEHLSZÄHLER STATUS REGISTER ( Supervisor oder Trace Mode Auswahl, Interruptmaske, X extended, N negative, Z zero, V overflow, C carry) 0 byte 0 byte 1 long word 0 2 byte 2 byte 3 long word byte byte D - CA - IV - AA - 10

11 D - CA - IV - AA - 11 Befehlsformat Operation Word (Erstes Wort bestimmt Befehlsart und Adressierungsarten) Immediate Operand (Wenn vorhanden, ein oder zwei Worte) Source Effective Address Extension (Wenn vorhanden, ein oder zwei Worte) Destination Effective Address Extension (Wenn vorhanden, ein oder zwei Worte) Einzelne Effektive Adresse Befehlswort - Allgemeines Format X X X X X X X X X X Modus Effektive Adresse Register

12 0 Vorzeichen Pentium: Integer Datenformate Byte Signed Integer Vorzeichen 76 Word Signed Integer Vorzeichen Doubleword Signed Integer Byte Unsigned Integer 7 Word Unsigned Integer 15 Doubleword Unsigned Integer Segment Selektor 31 BCD Integers X BCD... X BCD Packed BCD Integers BCD BCD... BCD BCD 31 Near Pointer Offset oder Lineare Adresse Far Pointer oder Logische Adresse Offset X BCD BCD BCD D - CA - IV - AA - 12

13 D - CA - IV - AA - 13 Pentium: Allgemeines Befehlsformat Befehls- Prefixe Opcode ModR/M SIB Bis zu 4 1 oder 2 Byte 1 Byte (falls Befehlsprefixe benötigt) zu je 1 Byte (optional) 1 Byte (falls benötigt) Displacement Adressdisplacement 0, 1, 2 oder 4 Bytes Immediate Immediate data 0, 1, 2, oder 4 Bytes Mod Reg/ Opcode R/M Scale Index Base

14 Pentium: Allgemeines Befehlsformat (ii) Opcode Das Haupt-Opcode-Feld kann noch in kleinere Felder unterteilt sein. Diese Felder definieren Richtung der Operation, die Größe des Displacement- Feldes, Register-Kodierung, Condition Codes oder Vorzeichenerweiterung. Die Kodierung der Felder in Opcode richtet sich nach der Klasse des Befehls. D - CA - IV - AA - 14 ModR/M and SIB Bytes Mit mod und r/m können 32 Werte dargestellt werden: 8 Register und 24 Adressierungsarten. Das reg/opcode-feld is entweder eine Register-Nummer oder enthält 3 weitere Opcode-Bits, abhängig vom Haupt-Opcode-Feld. Das r/m-feld spezifiziert ein Register als Operand oder zusammen mit dem mod-feld eine Adressierungsart. Bestimmte Kodierungen des ModR/M-Bytes verlangen ein zweites Feld, das SIB-Byte, um die Adressierungsart vollständig zu kodieren, z.b. die 32-Bit Adressierungsarten Base+Index oder Scale+Index. Das SIB- Byte enthält folgende Felder: Das scale-feld spezifiziert einen Skalierungsfaktor. Das index-feld spezifiziert eine Registernummer für das Index-Register. Das base-feld spezifiziert eine Registernummer für das Base-Register.

15 D - CA - IV - AA - 15 Pentium: Adressierungsarten 1) Direkt-kodierte Operanden 2) E/A-Port Adressierung 3) Register-Operanden 4) Speicher-Operanden

16 D - CA - IV - AA - 16 Verarbeitungs- und Busbreiten einiger 16-, 16/32-Bit-CISC- Mikroprozessoren Prozessor Motorola Intel Nat. Semiconductor MC68000 MC68010 MC68020 MC68030 MC i386 i486 Pentium NS32016 NS32032 NS32332 NS32532 MC68040 MC68060 Typ 16/ /32 16/32 32 Verarbeitung Datenbus Adreßbus

17 Ein- und Zwei-Adressrechner D - CA - IV - AA - 17 X = A x B + C x C Befehl LOAD A MULTIPLY B STORE T LOAD C MULTIPLY C ADD T STORE X Kommentar Transferiert A in den Akkumulator AC AC AC x B Transferiert AC zur Speicherstelle T Transferiert C in den Akkumulator AC AC AC x C AC AC + T Transferiert Ergebnis zur Speicherstelle X Befehl Kommentar MOVE A, T MULTIPLY B,T MOVE C, X MULTIPLY C, X ADD T,X T T X X X A T x B C X x C X + T

18 D - CA - IV - AA - 18 Drei- und Null-Adressrechner X = A x B + C x C Befehl Kommentar MULTIPLY A, B,T MULTIPLY C, C, X ADD X, T,X T X X A x B C x C X + T Befehl PUSH A PUSH B MULTIPLY PUSH C PUSH C MULTIPLY ADD POP X Kommentar Transferiert A auf den Stapel Transferiert B auf den Stapel Holt A, B vom Stapel und ersetzt sie durch A x B Transferiert C auf den Stapel Transferiert zweite Kopie von C auf den Stapel Holt C, C vom Stapel und ersetzt sie durch C x C Holt CxC, AxB vom Stapel, ersetzt sie durch Summe Transferiert Ergebnis vom Stapel nach X

19 D - CA - IV - AA - 19 Generelle Adressierungsmethoden des PowerPCs Indexadressierter Modus (Immediate Index Addressing Mode) -Die effektive Adresse des Operanden ist die Summe der Inhalte des Registers benannt in dem Befehl und einem vorzeichenbehafteten 16 bit Offset, welcher auch in dem Befehl enthalten ist. Die effektive Adresse wird folgendermaßen berechnet: A eff = X + [Rquelle]. Wobei Rquelle eines der Allzweckregister R 0 bis R 31 ist. Registerindizierter Adressierungsmodus (Register Index Addressing Mode) - Die effektive Adresse des Operanden ist die Summe der Inhalte der zwei Allzweck Register, die in dem Befehl aufgeführt sind. Die effektive Adresse wird folgendermaßen berechnet: A eff = [Ri] + [Rj]. Register Direkt - Die Operanden befinden sich in den angegebenen Registern.

20 D - CA - IV - AA - 20 Adressierungsmodi für Sprungbefehle des PowerPC Relativ - Der Abstand zwischen den Sprungbefehlen und der Zieladresse ist in dem Befehl enthalten. Absolut - Die Zieladresse ist im Befehl angegeben. Registerindirekt - Die Zieladresse ist der Inhalt des Link Registers(LR) oder des Count Registers(CTR). Dafür gibt es die Befehle (bcctr: branch cond. to count register und bclr: branch cond. to link register)

21 D - CA - IV - AA - 21 Adressierungsmethoden am Beispiel der Adressierungsmodi der PDP-11 ABSOLUTE (DIREKTE) ADRESSIERUNG - Die Adresse des Operanden ist explizit als Teil des Befehles angegeben. IMPLIZITE ADRESSIERUNG - Die Adresse ergibt sich aus dem Befehl (z. B. wird in einem Einadressrechner der Akkumulator als Adresse des zweiten Operanden angesehen). UNMITTELBARE ADRESSIERUNG - Der Operand wird explizit im Befehl angegeben. Es ist kein Speicherzugriff erforderlich. Der Operand kann auch direkt nach dem Befehl stehen. INDIREKTE ADRESSIERUNG - Die effektive Adresse des Operanden steht in dem Register oder Hauptspeicherplatz, dessen Adresse im Befehl angegeben ist. Dies kann in mehreren Stufen erfolgen. INDIZIERTE ADRESSIERUNG - Die effektive Adresse (EA) des Operanden wird aus der Addition des Wertes eines Indexregister (x) und der direkten Adresse (DA) berechnet. - EA = X + DA BASIS ADRESSIERUNG - Die effektive Adresse des Operanden wird berechnet durch die Addition des Wertes eines Basisregisters und der Adresse. - EA = B + DA

22 D - CA - IV - AA - 22 Adressierungsmethoden am Beispiel der Adressierungsmodi der PDP-11 (forts.) RELATIVE ADRESSIERUNG - Die effektive Adresse ist die Summe der direkten Adresse und des Inhalts des Befehlszählers. (PC) EA = DA + PC SEGMENTIERTE ADRESSIERUNG - Die effektive Adresse ergibt sich aus dem Zusammenfügen des Inhalts des Segment- Adressregisters (SAR) und der direkten Adresse. EA = SAR DA (SAR spezifiziert dabei eine Speicherseite und DA ist eine Adresse innerhalb dieser speziellen Seite.) BLOCK ADRESSIERUNG - Die Adresse des ersten Wortes im Block ist gegeben. Die Länge des Wortes wird gewöhnlich durch den Befehl bestimmt; oder es kann auch die letzte Adresse angegeben werden; oder ein besonderes end-of-block Zeichen kann angegeben werden; oder Blöcke können eine feste Länge haben. Sehr nützlich bei der Verwaltung des Sekundärspeichers.

23 D - CA - IV - AA - 23 PDP-11 Adressierungsarten B 5 B 4 B 3 DEZ. NAME SYNTAX BEDEUTUNG REGISTER RN EA = RN (d.h., Operand = [RN]) AUTOINCREMENT (RN)+ EA = [RN] ERHÖHE RN AUTODECREMENT - (RN) VERRINGERE RN EA = [RN] INDEX X(RN) HOLE X; ERHÖHE PC EA = X + [RN} REGISTER INDIRECT AUTOINCREMENT INDIRECT @-(RN) EA = [RN] EA = [[RN]] ERHÖHE RN VERRINGERE RN; EA = [[RN]] INDEX HOLE X; ERHÖHE PC EA = [X+[PC]] EA = Effektive Adresse [RN] = Inhalt der Speicherzelle, auf die RN zeigt [[RN]] = Inhalt der Speicherzelle, deren Adresse in der Speicherzelle steht, auf die RN zeigt.

24 D - CA - IV - AA - 24 PDP-11 Adressierungsarten mit RN = PC B5 B4 B3 Dez. Name Syntax Bedeutung Immediate (Autoinkrement) Absolute (Autoinkrement Indirekt) Relative (Index) A EA = [PC]; (d.h., Operand folgt der Anweisung EA = [PC]; (d.h., die EA des Operanden folgt der Anweisung Hole X; Inkrementiere PC; EA = X + [PC]; (d.h. EA ist PC + Offset X; X steht direkt nach der Anweisung) Relative Indirekt (Index Hole X; Inkrementiere PC; EA = [X + [PC]]; (d.h. EA ist Inhalt des [PC] + X; X steht hinter der Anweisung) EA = effektive Adresse [RN] = Inhalt der Speicherzelle, auf die RN zeigt [[RN]] = Inhalt der Speicherzelle, deren Adresse in der Speicherzelle steht, auf die RN zeigt.