FAKULTÄT FÜR INFORMATIK

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1 FAKULTÄT FÜR INFORMATIK TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Lehrstuhl für Rechnertechnik und Rechnerorganisation Prof. Dr. Arndt Bode Einführung in die Rechnerarchitektur Wintersemester 2016/2017 Zentralübung Maschinennahe Programmierung (2) Speicherzugriffe, Sprünge, Stack, Unterprogramme 2.1 Speicher Üblicherweise reichen die wenigen Register eines Prozessors nicht aus, um alle benötigten Daten zur sofortigen Verfügung zu haben. Um mit mehr Daten arbeiten zu können, müssen diese an anderen Speicherorten abgelegt werden. Dazu dient der Hauptspeicher, der sich physikalisch meist außerhalb des eigentlichen Prozessors befindet. Der Hauptspeicher ist in einzelne Zellen unterteilt, die über die sogenannte Speicheradresse ausgewählt werden können. Beim Zugriff auf den Speicher, teilt der Prozessor dem Speicher neben der Adresse auch noch mit, ob er aus der Speicherzelle lesen (read) oder selbst Daten in diese schreiben (write) will. Je nach Zugriffsart gibt der Speicher den Inhalt der addressierten Speicherzelle aus (der Inhalt der Speicherzelle wird dabei nicht verändert) bzw. schreibt die vom Prozessor gelieferten Daten hinein (und verändert damit den Zelleninhalt). Die Speicheradressen, die vom Prozessor intern verwendet werden, bezeichnen immer einzelne Bytes. Meistens kann der Prozessor auf mehrere aufeinanderfolgende Bytes gleichzeitig zugreifen; der z.b. auf maximal vier aufeinanderfolgende Bytes (ein 32-Bit-Wort) mittels einer Instruktion. Bei manchen Prozessoren ist es nicht oder nur umständlich möglich, auf ungerade liegende Wörter ( unaligned ) zuzugreifen, der gehört aber nicht zu diesen. Zugriffe auf nicht ausgerichtete Worte kosten auf diesem Prozessor allerdings mehr als Zugriffe auf ausgerichtete Daten. 1

2 80386-Befehle zum Speicherzugriff Der kann bei vielen Befehlen, die sonst die Operanden aus Registern beziehen bzw. das Ergebnis in ein Register schreiben, auch direkte Speicherzugriffe verwenden. Die einfachste Möglichkeit des Speicherzugriffs ist die Angabe einer direkten Adresse innerhalb eckiger Klammern. Beispiele: MOV EAX,[20] MOV [22],AX ; Liest einen 32-Bit-Wert ein, der an Adresse 20 beginnt. ; D.h. es wird auf die Speicheradressen 20 bis 23 zugegriffen, ; deren Inhalt danach in EAX vorliegt. ; Schreibt den 16-Bit-Wert des Registers AX in den ; Speicher an die Byte-Adressen 22 und 23. MOV BL,[27] ; Liest ein Byte aus Speicherzelle 27 und schreibt es in BL. ADD EAX,[30] ; Addiert zu EAX den 32-Bit-Wert ab Speicherzelle 30. SUB [32],BX ; Zieht vom 16-Bit-Wert ab Speicherzelle 32 den Wert in BX ab. Hinweis: Beim kann pro Befehl maximal ein Speicherzugriff verwendet werden. Der jeweils andere Operand muss ein Register sein. MOV [32],[34] ADD [36],[38] ; Falsch! ; Falsch! Angabe symbolischer Adressen Ähnlich wie Konstanten können auch Adressen symbolisch angegeben werden, wenn sie vorher mit EQU definiert wurden. Zudem gibt es weitere Pseudo-Befehle, welche Speicherplatz anlegen, diesen mit einem Symbolnamen versehen und auch mit vordefiniertem Inhalt füllen können. Die Schreibweise der Befehle variiert etwas; hier Beispiele für den Assembler nasm: adresse1: EQU 0x1770 werte1: RESB 64 werte2: RESW 5 ; Konstantendefinition, welche beim Speicherzugriff zur Adresse wird. ; Definiert und reserviert einen Speicherbereich mit 64 Bytes Platz ; und undefiniertem Inhalt. ; Definiert und reserviert Speicherbereich mit 5 Worten = 10 Bytes tabelle1: DB 17,55,68,71 ; Definiert einen Speicherbereich von 4 Bytes und initialisiert ; diesen mit den angegebenen Werten. tabelle2: DW 0x1234,0x8888,0x5432 ; Definiert und initialisiert 3 Worte. tabelle3: DD 0x ,0x ,0x ; Definiert und initialisiert 3 Doppelworte. ; Die Symbole können dann z.b. so verwendet werden: MOV EAX,[adresse1] ; Äquivalent zu MOV EAX,[0x1770]. MOV [werte1],bl ; Schreibt 1 Byte von Register BL in das erste Byte des werte1-feldes. MOV AX,[tabelle2] ; Liest das erste Wort aus dem Feld tabelle1. D.h. das Register AX ; enthält anschließend den Wert 0x

3 Indirekte Adressierung/Varianten Speicherzugriffe werden ungleich mächtiger, wenn die Adressen nicht von Anfang an durch konstante Werte festgelegt sind, sondern vom Prozessor selbst berechnet werden können. Die zu verwendenden Adressen liegen anschließend in Registern und können ähnlich symbolischer Adressen genutzt werden. Diese Zugriffsart wird als indirekte Adressierung bezeichnet. Im Befehl sind weitere Berechnungen der effektiven Adresse möglich, über die der endgültige Speicherzugriff erfolgt. Beispiele (Schreibzugriffe funktionieren analog): ; Register Indirect Mode MOV EAX,[EBX] ; Nimmt den Wert von EBX als Speicheradresse für Lesezugriff. ; In den eckigen Klammern können EAX-EDX, ESI, EDI, EBP und ESP ; verwendet werden. ; Based Mode MOV EAX,12[EBX] ; Intel-Syntax MOV EAX,[EBX+12] ; nasm-syntax ; Addiert zu EBX noch ein sogenanntes Offset/Displacement von 12 ; hinzu und nutzt das Ergebnis als effektive Speicheradresse. ; Dabei darf das Displacement auch negativ sein. ; In [] erlaubt: EAX-EDX, ESI, EDI, EBP, ESP ; Based Indexed Mode MOV EAX,[EBX][ESI] MOV EAX,[EBX+ESI] ; Intel-Syntax ; nasm-syntax ; Effektive Speicherdresse ist die Summe aus EBX und ESI. ; In [] erlaubt: EAX-EDX, ESI, EDI, EBP, ESP ; Based Indexed Mode with Displacement MOV EAX,12[EBX][EDX] ; Intel-Syntax MOV EAX,[EBX+EDX+12] ; nasm-syntax ; Effektive Adresse ist die Summe aus EBX und EDX und ; einem dem konstantem Offset von 12. ; In [] erlaubt: EAX-EDX, ESI, EDI, EBP, ESP ; Base and Scaled Index with Displacement MOV EAX,12[EAX][ECX*2] ; Intel-Syntax MOV EAX,[EAX+ECX*2+12] ; nasm-syntax ; Effektive Adresse ist das Ergebnis von EAX+2*ECX+12. ; Als Skalierung ist nur 2, 4 oder 8 möglich. ; In [] erlaubt: EAX-EDX, ESI, EDI, EBP, ESP 3

4 2.2 Unbedingte Sprünge Bisher wurden alle Befehle nacheinander abgearbeitet. Von diesem linearen Fluss kann mittels Sprüngen abgewichen werden. Eine Möglichkeit sind unbedingte Sprünge, welche mittels des Befehles JMP beschrieben werden. Unbedingte Sprünge sind solche, die bedingungslos, d.h. immer, den Ablauf verändern. Der Befehl JMP benötigt immer ein Sprungziel. Dies kann entweder eine konstante Adresse sein, oder aus einem Register bzw. einem Speicherzugriff gewonnen werden. Im Hintergrund wird der Befehlszähler (Instruction Pointer=EIP, manchmal auch Program Counter=PC) auf den Wert des Sprungsziels gesetzt und die weitere Befehlsverarbeitung wird an dieser Adresse fortgesetzt. Das Sprungziel kann statt einer direkten konstanten Zahl auch symbolisch über eine Marke ( Label ) angesprungen werden. Beispiele: fehler: JMP 0x1234 JMP fehler MOV EAX,0x4567 JMP EAX JMP [EBX] ; Führe den Programmablauf bei EIP=0x1234 weiter. ; Springe zu einer Marke (Definition siehe unten) ; Mache bei EIP=0x4567 weiter ; Lese ein Doppel-Wort x aus dem Speicher an Adresse ; EBX aus und mache bei EIP=x weiter 2.3 Stapelspeicher/Stack Der normale Speicher (Heap) ist nicht selbstorganisiert, d.h. der Programmierer muss bei der Benutzung selbst die passenden Adressen definieren, von denen gelesen bzw. in die geschrieben werden soll. Im Gegensatz dazu gibt es Varianten des Speichers, die die Anordnung ihres Inhalts selbst übernehmen. Eine der wichtigsten davon ist der Stapel (engl. Stack) im Deutschen oft auch Keller genannt. Es handelt sich hierbei um eine Datenstruktur mit sogenannter LIFO (Last In, First Out)- Semantik. Dies besagt, dass stets das Datum zuerst entnommen wird, welches zuletzt eingefügt wurde; genau wie bei einem Stapel, bei dem nur auf das oberste Element zugegriffen werden kann. Stapel: Neue Elemente werden immer ganz oben auf den Stapel gelegt; als einziges Element im Stapel kann das oberste entfernt werden. Die elementaren Operationen auf der Datenstruktur Stack heißen Push (Hinzufügen) und Pop (Wegnehmen). 4

5 Beispiel (allgemein): Die Elemente A, B und C sollen in dieser Reihenfolge mittels PUSH auf einen Stapel gelegt werden. Danach wird dreimal hintereinander die POP-Operation ausgeführt. Was liefern die einzelnen POP-Operationen aus dem Stapel zurück? Annahme: Stapel sei leer PUSH A legt A auf den Stapel, Stapelhöhe 1 PUSH B legt B auf den Stapel, Stapelhöhe 2 PUSH C legt C auf den Stapel, Stapelhöhe 3 POP liefert C zurück, Stapelhöhe 2 POP liefert B zurück, Stapelhöhe 1 POP liefert A zurück, Stapelhöhe 0 Stapel ist wieder leer "A, B, C" "C, B, A" C B A L I F O Abbildung 1: Einfaches Stapelspeicher-Beispiel Stapelverwaltung auf Maschinenebene Alle gängigen Mikroprozessoren unterstützen stack-artige Datenstrukturen, auch die Intel 80x86-Serie. Die Stack-Datenstruktur wird auf Maschinenebene über ein spezielles Register (Stack Pointer: ESP) verwaltet. Das ESP-Register enthält die Adresse des obersten Elementes auf dem Stapel. Dieser kann hierbei entweder in Richtung aufsteigender Adressen im Hauptspeicher wachsen (z.b. 6502) oder was heutzutage häufiger anzutreffen ist in Richtung absteigender Adressen (z.b. Intel 80x86). Im ersten Fall muss bei einer PUSH-Operation der Stack Pointer ESP erhöht werden, im zweiten Fall muss ESP erniedrigt werden. Die Intel 80x86-Serie stellt u.a. die zwei Befehle PUSH und POP zur Verfügung, mit denen ein 16- oder 32-Bit-Wort aus einem Register auf den Stapel gelegt, bzw. von ihm heruntergenommen und in einem Register abgelegt werden kann. Die Verwaltung des Stapelzeigers ESP wird von diesen Befehlen für den Entwickler transparent vorgenommen. Beispiel: MOV EAX,1 MOV EBX,2 PUSH EAX PUSH EBX ; Lädt eine Konstante (1) in das Register EAX. ; Lädt eine Konstante (2) in das Register EBX. ; Legt EAX auf dem Stapel ab. ; Legt EBX auf dem Stapel ab. 5

6 SP Hauptspeicher SP Stack Bottom Hauptspeicher Adresse n Adresse n - 1 Adresse n - 2 Richtung Adresse n + 4 Adresse n - 3 Adresse n + 3 Adresse n - 4 Stack Bottom Adresse n + 2 Adresse n + 1 Adresse n Richtung Abbildung 2: Stapelspeicher-Richtung POP EAX POP EBX ; EAX wird der oberste Stapelwert (2) zugewiesen. ; EBX wird der oberste Stapelwert (1) zugewiesen. Hinweis: PUSH/POP sind sowohl mit 16- als auch mit 32-Bit-Registern nutzbar. Bei Unklarheiten sollte man sich allerdings, um eine Vermischung zu vermeiden, vorsichtshalber auf 32 Bit beschränken Unterprogrammaufrufe Der Stapelspeicher dient jedoch nicht nur der manuellen Speicherung von Daten, sondern auch und vor allem der einfachen Abwicklung von Unterprogrammaufrufen. Unterprogramme sind Programme, bzw. Programmstücke, nach deren Abarbeitung die Programmausführung an der auf den Aufruf von selbigen folgenden Stelle fortgesetzt wird. Hierfür muss sich der Prozessor intern merken, an welcher Stelle die ursprüngliche Abarbeitung wiederaufgenommen werden muss, nachdem das Unterprogramm abgearbeitet wurde (z.b. im Bild 3 die Adresse 1012h). Zum Aufrufen und zum Beenden von Unterprogrammen gibt es auf praktisch allen Maschinen spezielle Befehle, der normale JMP-Befehl ist dafür ungeeignet. Bei der Intel 80x86-Serie heißen diese CALL und RET (für engl. Return, Rückkehr). Sie sorgen dafür, dass die Rückkehradresse (aus dem EIP-Register (Instruction Pointer), auch PC-Register (Program Counter) genannt) automatisch auf dem Stapel gespeichert (CALL PUSH EIP) und bei der Rückkehr wieder entnommen (RET POP EIP) wird. Unterprogramme werden z.b. benutzt, um häufig benutzte Programmteile nur einmal schreiben zu müssen, wodurch u.a. Entwicklungszeit und Programmspeicher gespart werden können. Statt des direkten Einbindens in den Code reicht dann ein CALL auf die Unterprogrammadresse Rekursion Unterprogramme können selbst wieder andere Unterprogramme aufrufen (Schachtelung). Insbesondere kann ein Unterprogramm auch sich selbst direkt oder indirekt als Unterprogramm aufrufen (Rekursion). 6

7 Hauptspeicher 1010h 1011h 1012h... MOV EAX, 1234h CALL EAX... Unterprogrammaufruf 1234h (erster Befehl) Unterprogrammrueckkehr RET Abbildung 3: Unterprogrammaufruf Dies sollte natürlich nicht zu einer Endlosschleife führen, sondern es sollte im Unterprogramm ein Abbruchkriterium für diese Rekursion geben. Die Möglichkeiten dazu (bedingte Sprünge) werden in der nächsten Übung besprochen. Rekursionen und rekursive Rechenvorschriften sind ein sehr mächtiges Werkzeug in der Informatik und werden in den Informatik-Vorlesungen ausführlich betrachtet. Aufgabe 2.1 Das in Aufgabe 1.1 geschilderte Berechnen der Gesamtzeit benötigt die Einzelwerte in Registern. Dies ist aber recht unpraktisch. Sinnvoller wäre es, die Daten aus dem Speicher zu lesen, da so eine Tabelle benutzt werden kann. Damit lässt sich in Abhängigkeit vom Waschprogramm die Gesamtdauer ausrechnen. Schreiben Sie ein Programm, das das Auslesen der Tabelle realisert. Das Waschprogramm (eine Zahl zwischen 0 und 8) stehe dabei als 32-Bit-Wort an der symbolischen Adresse wasch programm, die einzelnen Zeiten ab der Adresse zeitdauer tabelle. Das Ergebnis soll indenspeicherandieadresse zeitdauer geschriebenwerden.überlegensiesichzuerst,welche Anordnung der Werte in der Tabelle ist für das schnelle Ausrechnen am sinnvollsten ist. 7

8 Aufgabe 2.2 Die ERA-Waschmaschine hat eine einfache, zweistellige 7-Segment-Anzeige, die je nach Bitkombination die Zahlen 0 bis 9 gut lesbar darstellen kann. Um einen Wert darzustellen, muss das passende Bitmuster an die Speicherstelle display (Zehnerstelle) bzw. display+1 (Einerstelle) geschrieben werden. a f e g d b c Bit Nr Segment g f e d c b a Abbildung 4: Aufbau einer 7-Segment-Anzeige a) Wie kann ein Wert von 0-9 mit einem Unterprogramm in das richtige Bitmuster zur Ansteuerung einer Stelle der Anzeige errechnet werden? Der Wert stehe dabei im Register AL, die Adresse der Anzeigestelle sei im Register ECX. Es dürfen nach dem Funktionsaufruf keine Register verändert sein! b) Wie kann mithilfe der Funktion von a) ein Wert im Register AX von 0 bis 99 auf der Anzeige angezeigt werden? Hinweise zum Assemblersimulator Jasmin Homepage und Tutorial: Jasmin sollte auf allen Systemen laufen, die Version 1.5+ der Java Virtual Machine von Oracle/Sun installiert haben. Ältere Java Versionen werden nicht unterstützt. Im Gegensatz zum echten Prozessor addressiert Jasmin die Befehle über die Zeilennummer und nicht die Startaddresse des Befehls im Speicher. Damit ist jeder Befehl in Jasmin genau ein Zelle groß. Dadurch entsteht auch eine Trennung von Programm- und Datenspeicher, die im Original so nicht vorhanden ist. Selbstmodifizierender Code ist somit nicht möglich. Pseudo-Opcodes wie dword, etc. werden bei Jasmin als echte Befehle interpretiert. Damit müssen sie beim Programmablauf ausgeführt werden, damit ihre Initialisierungswirkung im Hauptspeicher vorhanden ist. Am besten schreibt man sie dazu vor den eigentlichen Assemblercode. Falls Sie noch Fragen haben, wenden Sie sich bitte an Ihre Tutoren oder Marcel Meyer, meyerm@in.tum.de 8