Assembler Programmierung Motivation. Informatik II SS 2004 Teil 4: Assembler Programmierung. Assembler vs. Maschinensprache

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Dennis Schulz
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1 Assembler Programmierung Motivation Informatik II SS 2004 Teil 4: Assembler Programmierung Was ist ein Programm? Eine Reihe von Befehlen, die der Ausführung einer Aufgabe dient Dazu wird das Programm sequentiell abgearbeitet und Befehl für Befehl abgearbeitet. Der Prozessor arbeitet dabei zustandsbasiert Problem: Welche Befehle kennt der Prozessor? Sind das dieselben Befehle, die ein Mensch verwendet? Sich Schritt für Schritt dem Prozessor nähern Anweisung: Addiere die Zahlen von eins bis hundert und speichere das Ergebnis! Integer: Ergebnis := Sum( );.aber das sind immer noch nicht die Befehle, die ein Prozessor versteht. Institut für Informatik Prof. Dr. D. Hogrefe Assembler Allgemein Befehle (Maschinensprache) Assembler vs. Maschinensprache Die Befehle, die der Computer versteht und ausführen kann, sind Bitfolgen Maschinensprache, in der Regel für jede CPU unterschiedlich. Ausnahme: (aufwärts-) kompatible Rechnerfamilien Beispiel: 286, 386, 486, Pentium Der Befehl muss zwei Angaben enthalten (v. Neumann-Rechner): durchzuführende Operation (Was!) Operations-Code verwendeter Operand (Womit!) Adresse Häufig gehen diese Angaben auch direkt in den Op-Code ein. Nach der Anzahl der Operanden im Adressteil unterscheidet man: 8-Bit-Mikrocomputer arbeiten fast immer mit Einadress-Befehlen (1. Quelle und Zieladresse implizit gegeben, z.b. Akkumulator), 16-Bit-CPUs dagegen oft mit Zweiadress-Befehlen. Ein Befehl kann aus einem oder mehreren Speicherworten bestehen Bei Computern mit großer Wortlänge können auch mehrere Befehle in einem Speicherwort stehen Bei 8-Bit-Mikros besteht der OP-Code aus einem Byte, der Adress-Teil aus einem oder zwei Bytes (= eine Adressangabe) Gesamtheit aller vom Prozessor ausführbaren Befehle (Maschinenbefehle) heißt Maschinensprache Prozessoren können nur numerische Instruktionen ausführen Addiere den Inhalt der Register 17 und 18 und speichere das Ergebnis im Register 8 ab für den Menschen nicht gut verständlich Ein Assembler setzt die Befehle um und verwaltet symbolische Adressen Der Wortschatz eines Assembler heißt Assemblersprache oder auch einfach Assembler

2 Assembler Vom Assembler zur Hochsprache Aber auch die Maschinenbefehle (bzw. Assemblerbefehle) sind für den Menschen schwer zu verstehen, selbst wenn er nicht direkt in der binären Maschinensprache programmieren muss. Es gibt keine Variablen Einige Befehle stehen nicht direkt zur Verfügung. Jeder Prozessor ist anders, also auch jeder Assembler Das bedeutet, dass ein Programmierer ein Assemblerprogramm (z.b. Summe von 1 bis 100) für jeden Prozessor neu schreiben muss. Lösung des Problems: eine Hochsprache Es werden dem Programmierer mehr Befehle angeboten Speicherverwaltung wird übernommen Die Befehle sind Prozessor unabhängig Wer vermittelt nun zwischen Hochsprache und Maschinensprache? Ein Compiler übersetzt das Hochsprachenprogramm in Assemblerprogramm. Diesen Vorgang nennt man kompilieren Ein Assembler macht aus einem Assemblerprogramm ein Maschinensprachenprogramm Anstelle des Compilers kann auch ein Interpreter verwendet werden. Dieser erzeugt auch Maschinencode, aber erst zur Laufzeit. Im Unterschied zum Interpreter übersetzt der Compiler das gesamte Programm Wo wir jetzt sind ein kurzes Fazit Vorher Zahlendarstellung / Gatter ALU von Neumann Rechner Jetzt Assembler Programmierung Später: Compilerbau: Wie bekomme ich aus einer Hochsprache ein Assemblercode? Wie optimiere ich den Compiler? In welcher Sprache schreibe ich einen solchen Compiler? Formale Sprachen: Formale Analyse der Sprachen und ihrer Mächtigkeit, usw. Programm in einer Hochsprache (C, Java) Assembler Programm (Spim für MIPS R2000) Maschinensprache Programm (MIPS R2000) Interpretation durch Leitwerk Registertransfer Anweisungen Compiler Assembler temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) IR Imem[PC]; PC PC + 4 ALUOP[0:3] InstReg[9:11] & MASK C code Assemblerprogramm Maschinencode Registertransfer Anweisung

3 Wie können wir nun Programmieren? Wir brauchen: Einen Simulator: MIPS R2000 Stanford Projekt: Microprocessor without Internal Pipeline Stages RISC Prozessor SPIM (unser Simulator) unterliegt der GNU-Lizenz Linux: xspim; Windows PCSpim Einen Texteditor Zum Erstellen der Programme Arbeitsweise des R Der Befehl wird geladen 2. Der Befehl wird decodiert 3. Daten werden in die Register geladen Die zugehörigen Operanden werden geladen 4. In Abhängigkeit des aktuellen Befehls werden die Register verändert. z.b. der Inhalt von zwei Registern wird addiert und das Ergebnisse in ein anderes Register geschrieben. 5. Daten werden aus den Registern in den Speicher geschrieben Adressierung des Speichers Der Speicher Warum Hexadezimal? Größe des Speichers Jede Zelle ist 8 Bit (1 Byte) Groß und hat eine 32 Bit Adresse Kilobyte 1KB = 1024 Byte = 2 10 Byte Megabyte 1MB = 1024 KB = 2 20 Byte Gigabyte 1GB = 1024 MB = 2 30 Byte Von Neumann-Rechner haben gemeinsamen Speicher für Daten und Programm Der Programmierer muss verhindern, dass der Rechner versucht, die abgelegten Daten als Programm auszuführen. Der Prozessor soll nicht das Programm mit Daten überschreiben Selbstmodifizierender Code ist möglich (Beispiel: Computer Viren) Lösung: Segmente für Daten, Programm, OS und Stack Mit den Direktiven.data und.text geben wir an, wohin die folgenden Befehle geschrieben werden Der Programmierer kann aber auch direkt in den Speicher schreiben

4 Hauptspeicher Verwaltung Der Speicher besteht aus 2 32 Zellen à einem Byte.text und.data sind Direktiven, die angeben, was Programm und was Daten sind. Adresse 32 Bit Speicherzellen 8 Bit 0xFFFFFFFF 0x x7FFFFFFF 0x Betriebssystem und ROM Stack Segment Freier Bereich Daten Segment Datentypen Ganze Zahlen.word 32-Bit-Zahlen.half 16-Bit-Zahlen.byte 8-Bit-Zahlen Zeichenketten.ascii 8Bit pro Zeichen (256 verschiedene Zeichen).ascii Das ist ein Beispieltext. Und ohne.asciiz Zeilenumbruch geht es weiter. Floating Point wird vom Coprozessor unterstützt. Text Segment 0x x Reserved Speicher Litte Big Endian R 2000 Register Litte-Endian vs. Big-Endian Big Endian denkt, dass das erste Byte, das er liest, das größte ist. Little Endian denkt, dass das erste Byte, das er liest, das kleinste ist Big Endian: Mainfraim, IBM Litte Endian: PC, Intel, AMD Bi Endian: PowerPC Daten sollten im Speicher ausgerichtet (Aligned) sein Beispiel: (1025) Adresse Big-Endian Darstellung von Little-Endian Darstellung von General Purpose Register mit 32 Bit Wortbreite $0 bis $31 oder per Name $zero enthält immer(!) den Wert 0 $at temporäres Assemblerregister $v0, $v1 Funktionsergebnisse $a0 bis $a3 Argumente für Prozeduraufrufe $t1 bis $t9 temporäre Register $s0 bis $s7 langlebige Register $k0, $k1 Kernel Register $gp Zeiger auf Datensegment $sp Stack Pointer $fp Frame Pointer $ra Return Address Zusätzlich lo und hi (Spezialregister) 0 $zero 1 $at 2 $v0 3 $v1 4 $a0 5 $a1 6 $a2 7 $a3 8 $t0 9 $t1 10 $t2 11 $t3 12 $t4 13 $t5 14 $t6 15 $t7 16 $s0 17 $s1 18 $s2 19 $s3 20 $s4 21 $s5 22 $s6 23 $s7 24 $t8 25 $t9 26 $k0 27 $k1 28 $gp 29 $sp 30 $fp 31 $ra

5 Die Assembler Befehle Befehlsformat <Marke>: <Befehl1> <Arg_1> <Arg_2> <Arg_3> # <Kommentar> <Marke>: <Befehl2>, <Arg_1>, <Arg_2>, <Arg_3> # <Kommentar> Befehle Lade- / Speicherbefehle Arithmetische Operationen (+, *, -, / ) Logische Operationen (AND, OR, XOR, NAND, ) Schiebe- / Rotationsbefehle Sprungbefehle Pseudobefehle werden vom Assembler in mehrere Befehle umgesetzt in die Befehle, die der Prozessor verarbeiten kann. Direktiven sind Assembleranweisung, die NICHT in Befehle umgesetzt werden; z.b. um Platz zu lassen für Variablen (beginnen mit einem Punkt z.b..data ) Assembler Programme Sequentielle Abarbeitung von Befehlen Sprünge sind möglich Nur ein Befehl pro Zeile # leitet einen Kommentar ein <name>: ist ein Label Das Label main: muss immer vorhanden sein Label können angesprungen werden z.b. while: oder for: Den Namen des Labels entscheidet der Programmierer (bis auf main: ) Die drei Instruktionsformate Assember Programm ein Beispiel Register Format (R) Op-Code rs rt rd shamt funct Op-Code rs rt rd shamt funct Immediate Format (I) Op-Code rs rt 16 - Bit Konstante (Imm) Op-Code rs rt 16 - Bit Konstante (Imm) Sprung Format (J) Op-Code 26 Bit Sprungadresse Op-Code 26 Bit Sprungadresse # Beispielprogramm V. 001 # berechnet den Umfang eines Dreiecks mit den Kanten x, y, z # kein sehr sinnvolles Programm.data x:.word 12 y:.word 14 z:.word 5 u:.word 0.text main: lw $t0, x lw $t1, y lw $t2, z add $t0, $t0, $t1 # $t0 := x + y add $t0, $t0, $t2 # $t0 := x + y + z sw $t0, u # u := x + y + z li $v0, 10 # EXIT syscall

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