Ein Rechner wird durch ein Programm gesteuert, dass sich aus einer Sequenz einzelner Instruktionen zusammensetzt.

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1 4. ISA (instruction set architecture) - Befehlssatz Ein Rechner wird durch ein Programm gesteuert, dass sich aus einer Sequenz einzelner Instruktionen zusammensetzt. Charakteristika einer Rechnerarchitektur sind wesentlich gegeben durch: die Datentypen, die eine Maschine kennt, und die Instruktionen, die auf diesen Datentypen ausgeführt werden können. Definition: Instruktion = Folge von Symbolen, deren Ausführung durch einen Prozessor eine eindeutige und wohldefinierte Zustandsänderung des Computers bewirkt. Eine Instruktion selbst ist ein spezieller Datentyp. Da Instruktionen im Speicher stehen, kann dort die Instruktion als Datentyp (theoretisch) verändert werden, dadurch das Programm an sich modifiziert werden. ( self-modifying code ). 4.1 Aufbau von Instruktionen Eine Instruktion (Maschinenbefehle, Befehle) bestehen aus zwei Komponenten: OpCode: Operand: spezifiziert, welche Operation auszuführen ist. bezeichnet die Operanden, die an der Operation beteiligt sind. Klassen von Instruktions-Architekturen Instruktionssatz-Typ Architektur-Typ 4-Adress-Instruktionssatz 4-Adress-Maschine (3+1 Adress-Maschine) 3-Adress-Instruktionssatz 3-Adress-Maschine 2-Adress-Instruktionssatz 1-Adress-Instruktionssatz 0-Adress-Instruktionssatz 2-Adress-Maschine 1-Adress-Maschine (Load/Store-Maschine) (Akkumulatormaschine) 0-Adress-Maschine (Stackmaschine) Die Anzahl der Operanden beeinflusst die Gesamtlänge einer Instruktion. Dies ist bei begrenzter Speicher- und Adressierkapazität von Bedeutung. Implementierungen 4-Adress-Maschinen und reine Stackmaschinen kommen in der Praxis kaum vor. Ebenso sind 1-Adress-Maschinen auf dem Rückzug. Dominierend sind (bislang) die 2-Adress-Maschinen, wobei 3-Adress-Maschinen an Bedeutung gewinnen. Nur wenige Rechner waren als reine Stackmaschinen (wie etwas Taschenrechner) realisiert, da die Programmierung aufwendig und eine hohe Anzahl von Instruktionen benötigt. Zudem müssen arithmetische Ausdrücke in die umgekehrte polnische Notation (Lukasiewicz Notation) umgewandelt werden. 16

2 In jüngster Zeit haben Stackmaschinen in Form der JavaVirtualMachine (JVM) jedoch an Bedeutung gefunden. Der Vorteil einer Stackmaschine sind: * einfache Unterprogrammtechnik * ebenso einfache Unterbrechungsverarbeitung (interrupt handling) * lageunabhängiger Programmcode (verschiebbar im Speicher) mehrfach benutzbare Routinen und Bibliotheken (re-entrant) 4.2 Instruktionen und Datentypen Instruktionen führen Operationen auf Daten aus. Dabei ist nicht jede Operation auf jeden Datentyp sinnvoll anwendbar. Beispiele: Instruktion Logical Integer Float.Point Character MOVE X X X X ADD (x) X X AND X (x) COMPARE X X X X Wichtig: Dem Inhalt einer Speicherzelle wird erst dadurch ein Datentyp zugeordnet, dass eine bestimmte Operation darauf ausgeführt wird. Die Assoziation einer Operation mit einem Datentyp ist eine Funktion der Operandenadresse. Denn: In aller Regel lassen Rechnerimplementierungen zu, dass der Wert einer Speicherzelle verschieden interpretiert werden kann. Eine feste Zuordnung einer Speicherzelle zu einem Datentyp erfolgt erst auf höherer Programmierebene etwa durch den Compiler. 17

3 4.3 Assemblerprogrammierung Die Assemblerprogrammierung bietet den direkten Zugang auf die Eigenschaften des Prozessors: alle vom Anwender erreichbaren Register (architekturierter Registersatz) der Speicher alle unterstützten Datentypen (intrinsisch) den gesamten Instrukionssatz (Operationen) Die Syntax ähnelt prinzipiell immer der folgenden Darstellung: [name] [operator] [operand [, ]] [; comment] name: Label der Anweisung (symbolische Adresse) operator: Mmemonic, d.h. symbolische Darstellung der Anweisung operator: Daten, auf die die Operation anzuwenden ist comment: dient lediglich der Lesbarkeit des Assemblercodes [ ] steht für optionales Feld Es gibt zwei Arten von Operatoren: Direktiven - Anweisungen an den Compiler > führt zu keinem Maschinencode! Instruktionen - werden in Maschinenbefehle übersetzt. Operanden definieren die Daten, auf denen die Direktiven und Instruktionen wirken. Es gibt 4 Arten: - Symbole - Konstanten - Ausdrücke - Register Symbole sind Namen, die einen Wert repräsentieren. Bei Assembler-programmierung können Symbole stehen für Variablen, Adressen (Labels), Prozeduren, Konstanten, Macros, Ausdrücke, 18

4 5. Speicherhierarchie / Hauptspeicher 5.1 Speicherhierarchie Geschwindigkei Register Cache L1 / L2 (/ L3) Hauptspeicher online Hintergrundspeiche offline Hintergrundspeiche Internet als globales Wissensarchiv? GRÖSSE (Byte, kbyte, MByte, GByte) Der Speicher eines Rechnersystems ist heute hierarchisch organisiert. Hierbei decken die einzelnen Speicherhierarchien unterschiedliche Anforderungen an das Speichersystem ab. Prinzipiell gilt es, die schnellen Prozessoren effektiv an einen langsamen Massenspeicher anzuschließen. Die schnellsten Speicher sind daher im Prozessor in Form von Registern realisiert, die in der Anzahl sehr begrenzt, im Zugriff aber mit dem Prozessortakt mithalten können. Es gibt sichtbare (visable) und versteckte (hidden) Register, zudem können sie spezialisiert sein (etwa Floatingpoint-Register) oder allgemein genutzt werden (general purpose). Cachespeicher verbinden den Registersatz mit dem Hauptspeicher. Der Hauptspeicher wird in Cachelines dupliziert, wobei immer nur ein kleiner Ausschnitt des Hauptspeichers im schnellen Cachespeicher gehalten werden kann und eine intelligente Ersetzungsstrategie notwendig ist (LRU Algorithmen, Assoziativität, etc.). Cachespeicher sind heute meist in 2 Ebenen realisiert (L1/L2), wobei insbesondere der kleine L1 Speicher in Größen bis 64kB mit dem Prozessortakt 19

5 mithalten kann. L2/L3 bieten Speichergrössen von 128kB bis wenige MB. Der Hauptspeicher dient als Arbeitsspeicher, in dem große Datenmengen und die Programme abgelegt sind. Oftmals werden Teile des Hauptspeichers als Disk Cache für Zugriffe auf Plattenlaufwerke benutzt. Online-Hintergrundspeicher sind Medien wie etwa Plattenspeicher. Diese Speicher bieten immense Datenkapazitäten (aktuell mehrere zig-gb), jedoch nur langsamen Zugriff (ms-bereich) und mässige Transferleistungen (bis heute 50MB/s). Offline-Hintergrundspeicher dienen zur Archivierung von Datenbeständen, etwas auf Disketten, Bändern, optische Medien (wie CDs 700MB, DVDs 4,7 GB). Diese Medien bieten große Datenkapazitäten, die Haupteigenschaft ist jedoch Datensicherheit. 5.2 Hauptspeicher Der Hauptspeicher bietet dem Prozessor einen direkten, schnellen Zugriff. Er enthält die Instruktionen und Daten zur Programmausführungszeit. Organisation des Hauptspeichers Sequentielle Folge von Bits, Bytes oder Worten Adressen dienen, um (bestimmte) Speicherzellen anzusprechen, man - Ortsadressierung - Inhaltsadressierungs (assoziativ Adressierung) Der HS kann als großes, eindimensionales Feld (Array) M(i) der Breite p (Bits) betrachtet werden. Jedes Element hat 1) eine Adresse i (Index des Feldes), 2) einen Inhalt M(i). unterscheidet Länge N bestehend aus Worten der Inhalt: Wort der Länge p Adresse Inhalt Bit 0 Bit p-1 0 M(0) Bit 0 Bit p-1 1 M(1) 2 M(2) N-2 M(N-2) N-1 M(N-1) 20

6 5.3 Adressierung der Bits, Byte-Ordering 1) das höchstwertige Bit ( high order bit ) hat die niedrigste Adresse: Bit: Wert: ) das niedrigstwertige Bit ( low order bit ) hat die niedrigste Adresse: Bit: Wert: Diese beiden Zählrichtungen kann man auch auf die Adressierung der Bytes innerhalb eines Wortes anwenden > Byte- Ordering: 1) Das höchstwertige Byte hat die niedrigste Adresse: Byte: Werte- [ ][ ][ ][ ] bereich ) Das niedrigstwertige Byte hat die niedrigste Adresse: Byte: Werte- [ ][ ][ ][ ] bereich Glücklicherweise sind Bit- und Byteordering konsequent durchgeführt, so dass man die Computerarchitekturen in (nach Gullivers Reisen) Big Endian - und Little Endian - High-order Bit/Byte haben jeweils niedrigste Adresse Low-order Bit/Byte haben jeweils die niedrigste Adresse Maschinen unterscheiden kann. 21

7 5.4 Adressraum Die Anzahl der Adressbits (Adresslänge) bestimmt die Größe des adressierbaren Speichers (Adressraum bzw. Addressierkapazität). Beispiele: Adresslänge Adressraum Frühe Mikrocomputer (68000, C64, ) 16bit 64kB Intel 8086, bit 1MB Intel Frühe Großrechner IBM S/360, S/370 24bit 16MB ESA/390 31bit 2 GB VAX, Intel 80386, 80486, Pentium 32bit 4 GB PowerPC, z/series, Athlon64 64bit 16 PB (40bit) (1TB) 5.5 Fehlererkennung: Parität gerade/ungerade (parity bits) - dient zur Singlebit-Fehlerbestimmung ECC (error checking & correcting) - dient je nach Codec meist zur Korrektur von Singlebit- Fehlern und zur Detektion ungerader Anzahl von Singlebitfehlern 5.6 CPU Register Mehrzweckregister Akkumulator (visible / hidden) Indexregister Basisadress-Register Speicherschutz-Register Clock-Register Interrupt-Register PageControl-Register Prioritätsregister Akkumulator Im Akkumulator werden alle Ergebnisse, die die Verarbeitungseinheit (ALU) der CPU liefert, abgelegt. Es gibt zwei Varianten: 1) sichtbarer Akku - der Akkumulator der Ein-Adress-Maschine 2) unsichtbarer Akku - der interne Akkumulator in der ALU: Nach Beendigung einer Operation in der ALU wird der Inhalt dieses Akku in ein sichtbares Register oder einer Speicherzelle geladen - spezifiziert durch die Instruktion. Moderne ALUs haben mehr als einen internen Akkumulator. 22

8 Indexregister Das Indexregister dient zur Modifikation von Operandenadressen. Die Fähigkeit zur Ausführung arithmetischer Operationen auf Indexregistern ist von Architektur zu Architektur unterschiedlich stark ausgeprägt. Manchmal sind GPR (general purpose register) auch als Indexregister zulässig und damit bieten sie den vollen arithmetischen Umfang. Basisadress-Register Um mit einer beschränkten Operandenlänge einen größeren Adressbereich abdecken zu können, wird ein Basisadress- Register benötigt, um ein Speichersegment zu spezifizieren. Speicherschutzregister (valid area reg) Dieses Register dient als Speichergrenze (memory boundary) oder wird als Memory Protection Register bezeichnet. Mit diesem Register lässt sich ein Speicherschutzmechanismus realisieren, um a) Betriebssystemspeicher vom Anwenderspeicher zu trennen, b) verschiedene Benutzerprogramme exklusiven Speicher bereitzustellen. Für Einbenutzersysteme (single user) reichen hier einfache Realisierungen aus: Das Register enthält lediglich eine Adresse, die die user area von der system area trennt. Für Multi-User-Systeme enthält das Register eine obere und untere Grenz(adresse) oder die Grenze und Länge einer user area. Interrupt Register spezifiziert z.b., welche Interrupts zu einem bestimmten Zeitpunkt zugelassen sind bzw. gesperrt sind. Weitere Spezialregister sind in den einzelnen Architekturen vorgesehen, um etwa Prioritäten von Ereignissen oder weitere Speicherschutzmechanismen (etwa auf Memory Pages) zu steuern. 23

9 6. Adressrechnung und Addressierungsarten Adressrechnungen sind notwendig, um eine flexible Adressierung der Operanden zu ermöglichen oder etwa den vollen logischen Adressierungsraum auszuschöpfen, wenn der physikalische Speicher deutlich geringer ist, als die Adresseirungskapazität ermöglicht. Weitere wesentliche Gründe für Adressrechnung sind: Ausweitung der Addressierkapazität, die durch den Operandenteil einer Instruktion gegeben ist. Verschiebbarkeit von Programmen und Daten im Speicher. Zugriffsschutz zwischen unabhängigen Programm- und/oder Datenbereichen (memory protection). 6.1 Grundtypen von Adressrechnungen Grundsätzlich werden Adressrechnungen in drei Kategorien unterteilt: Arithmetische Verknüpfung Adresskomponente 1 ± Adresskomponente 2 = effektive Adresse Das ist das Grundprinzip von * Basisadressierung und * indizierter Adressierung. Substitution Der Adressteil in der Instruktion verweist auf eine Speicheradresse steht die effektive Adresse. oder ein Register. D Das ist das Grundprinzip der indirekten Adressierung. Konkatenation Zwei Adressteile werden durch Konkatenation (Verkettung) miteinander verknüpft. 24

10 6.2 Adressierungsarten Direkte Adressierung In der Instruktion ist die Adresse des anzusprechenden Datum unmodifiziert enthalten. Die Adresse kann - eine Stelle im Hauptspeicher - ein Register oder - ein Flag (Bit in einem Control/Status Register) bezeichnen. OpCode R 3 M 4100 (R Registeradresse, M memory address) R0 R1 R2 R3 R4 40FF Registersatz Hauptspeicher Direkte Adressierung bzgl. beider Operanden im 2-Adressbefehl 25

11 Indirekte Adressierung Die Instruktion enthält die Adresse - einer Stelle im Hauptspeicher oder - eines Registers Dort stehen dann die unmodifizierte Adresse des anzusprechenden Datums: OpCode I R 1 (I Kennung indirekte Addr., R = Reg.Adr.) R R R2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX R R4 Registersatz Hauptspeicher Register indirekte Adressierung OpCode I M 10FFFE (I Kennung indirekte Addr., M = Speicheradresse) 04FEFE 04FEFF XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 04FF00 04FF01 04FF00 10FFFE Speicher indirekte Adressierung Spezialfälle der register indirekten Adressierung, die bei manchen Rechnern zur Verfügung stehen sind: Autoinkrement-Adressierung: Das Register, in dem die Adresse steht, wird automatisch inkrementiert. Autodekrement-Adressierung: Das Register, das die Adresse beinhaltet, wird automatisch dekrementiert. 26

12 Je nachdem, ob diese Veränderung des Registerinhalts vor oder nach dem Zugriff erfolgt, spricht man von - Autopreinkrement / Autopredekrement - Adressierung oder - Autopostinkrement / Autopostdekrement - Adressierung Anmerkung: Dieser Mechanismus fand Eingang z.b. in die höhere Programmiersprache C (++). a[i++] bedeutet, dass nach dem Zugriff auf das i.-element des Arrays a der Index i automatisch inkrementiert wird, so dass er nach dem Zugriff auf das Element i+1 verweist. Stack-Adressierung ist ein Sonderfall der register indirekten Adressierung. Der StackPointer (SP) zeigt auf eine Stelle im Hauptspeicher, dem top of stack. Dort steht unmittelbar das anzusprechende Datum. OpCode I S (I Kennung indirekte Addr., S = Stackpointer) SP Stackpointer XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Hauptspeicher 04770F top of stack stackbasierte Adressierung Bei einem PUSH wird der Stackpointer VOR dem Zugriff inkrementiert (autopreinkrement). Bei einem POP wird der Stackpointer NACH dem Zugriff dekrementiert (autopostdekrement). 27

13 Relative Adressierung Der in der Instruktion enthaltene Operand stellt ein Displacement relativ zum Anfang eines Speichersegments dar. Die Anfangsadresse des Speichersegments ist in einem Register enthalten, das entweder explizit spezifiziert und implizit angenommen sein kann. Man unterscheidet zwei Arten der relativen Adressierung: Adressierung relativ zu einer Basisadresse OpCode R R (R Kennung relative Addr., R1 = Basisregister 1) R1 Basisregister 1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Hauptspeicher

14 Adressierung relativ zum Befehlszähler OpCode IP FFFC (=-4) (IP Kennung Instruction Pointer, relativ zum Programmzähler) XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 0026F6 0026F7 0026F8 0026F9 0026FA 0026FA IP PC, IP, Programmzähler Hauptspeicher Das Displacement wird zum aktuellen Wert des Befehlszählers addiert. Indizierte Adressierung Die Adresse einer Speicherstelle wird modifiziert, indem der Inhalt Indexregisters dazu addiert wird. Diese Adressierung wird stets mit einer der anderen Adressierungsarten kombiniert. Dabei ist entscheidend, ob die Indizierung VOR oder NACH den anderen Adressierungsarten angewandt wird. eines Dabei ergeben sich dann die folgenden Kombinationen: Direkte Speicheradressierung mit Indizierung OpCode X 0 M 4080 (X Kennung indizierte Addr., X0 = Indexregister 0) X0 + Indexregister 0 XXXXXXXXXXXXXXXXXXX Hauptspeicher 0640A0 29

15 Register indirekte Adressierung OpCode X 2 R 1 (X Kennung indizierte Addr., X0 = Indexregister 0) 0200 X2 + Indexregister 0 XXXXXXXXXXXXXXXXXXX Hauptspeicher R1 Register Adressierungsarten des Intel Der Intel und seine Nachfolger (80486, Pentium I - IV) kann prinzipiell in folgenden unterschiedlichen Modi arbeiten: 16 bit real mode (8086 Kompatibilität) 16 bit protected mode (80286 Kompatibilität) virtual 8086 mode (simuliert mehrere 8086 Prozessoren) 32 bit protected mode Im folgenden soll nur der spezifische Modus, also der 32bit protected mode betrachtet werden. Alle anderen Modi bieten zum Teil nur unvollständige virtuelle Speicherverwaltung. Paging wird an dieser Stelle NICHT beschrieben. Generelles Konzept Eine 32bit effektive Adresse (EA) wird gebildet aus drei 32bit komponenten: einer Basisadresse (base) einem Displacement einem Index. Der rechte Operand ist der Quelloperand (source). Der linke Operand ist der Zieloperand (destination). Es gibt Sofortoperanden (immediates). 30

16 Base register: 31 0 base Displacement: , 16 oder 32 Bit Indexregister: 31 0 Index Scale 1,2,4 oder 8 effektive Adresse Basisadresse des Segments 31 0 Segment Base Alle Additionen sind modulo 32! lineare Adresse physikalische Adresse 31