Nachfolgende Abbildung zeigt das Spezialregister ra, das Arithmetische Status Register. Interrupt Enable (Freischalten)

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1 6.2 Register 205 Spezialregister Spezialregister (engl. special purpose registers) haben im Gegensatz zu Allzweckregistern einen bestimmten Zweck, d.h. jedes Spezialregister hat seine ganz eigene Aufgabe. Spezialregister können als eine Art Schnittstelle zwischen Hardware und Software angesehen werden, die es der Software ermöglicht, bestimmte Hardware-Einstellungen vorzunehmen (z.b. Setzen von Taktfrequenz-Multiplikatoren, Konfiguration von Interrupts,...) oder aufgetretene Ereignisse (z.b. Division durch 0, Zeitablauf bei Timer-Interrupt,...) durch die Software erfassbar/auswertbar zu machen. Der MMI-Prozessor hat 32 Spezialregister, die ra, rb, rc,... rz, rbb, rtt, rww r, ryy und rzz genannt werden. Zugriff auf die Spezialregister ist bei MMI nur über die Befehle PUT (Wert von Allzweckregister in Spezialregister kopieren) und GET (Wert von Spezialregister in Allzweckregister kopieren) möglich. Nachfolgende Abbildung zeigt das Spezialregister ra, das Arithmetische Status Register. Interrupt Enable (Freischalten) Interrupt Event (Auftreten) 0 0 R1 R0 D V W I O U Z D V W I O U Z nicht verwendet Gleitkommazahl ungenau (z.b. 1.0 / 3.0) Gleitkomma-Division durch 0 Gleitkomma-Unterlauf Gleitkomma-Überlauf Unerlaubte Gleitkommaoperation, z.b. sqrt(-1.0) Überlauf bei Wandlung Gleitkomma- in Festkommazahl Festkomma-Überlauf Festkomma-Division durch 0 Gleitkomma-Rundungsmodus 00: Nächster Wert (standard) 01: Abrunden (Richtung 0) 10: Aufrunden (Richtung + ) 11: Abrunden (Richtung - ) Beispiele für weitere Spezialregister: Im Falle einer Multiplikation 64 Bit 64 Bit = 128 Bit werden in rh die oberen 64 Bit des Ergebnisses abgelegt. Im Falle einer Division 128 Bit : 64 Bit = 64 Bit werden in rd die oberen 64 Bit des 128 Bit breiten Dividenden abgelegt. Bei einer Festkomma-Division wird in rh der Rest der Division abgelegt (Modulo- Operation).

2 206 6 MMI-Prozessor Verständnisfragen/Aufgaben Allgemein T a) Was ist ein Register? T b) Wo findet man Register in einem Computer-System? T c) Daten welcher Größenordnung kann ein Register aufnehmen: Byte, kilobytes, megabytes, gigabytes or terabytes? Allzweckregister a) Was sind Allzweckregister? b) Geben Sie ein Beispiel für eine typische Verwendung eines Allzweckregisters an. c) Über wieviele Allzweckregister verfügt der MMI-Prozessor? Welche Namen haben sie?

3 6.2 Register 207 T d) Was ist der Unterschied zwischen einem globalen und einem lokalen Register? Spezialregister a) Was ist ein Spezialregister? b) Geben Sie eine typische Anwendung eines Spezialregisters an. T c) Über wieviele Spezialregister verfügt der MMI-Prozessor? Wie werden sie genannt (Prinzip)? T d) Kann jeder MMI-Befehl Spezialregister verwenden? T e) Welches Spezialregister stellt Informationen über Arithmetische Operationen zur Verfügung? T f) In welchem Spezialregister kann man die oberen 64 Bit eines 128 Bit breiten Festkomma-Dividenden ablegen?

4 208 6 MMI-Prozessor T g) In welchem Register werden die oberen 64 Bit des Ergebnisses einer Festkomma- Multiplikation abgelegt? T h) In welchem Spezialregister legt das Rechenwerk den Rest einer Festkomma- Division ab? i) Müssen normale Programme häufig auf Spezialregister zugreifen? j) Was müssen Sie tun, wenn Sie einzelne Bits eines Spezialregisters verändern wollen? Die letzte Aufgabe hat gezeigt, dass zur Bearbeitung von Spezialregistern zwei zusätzliche Befehle ausgeführt werden müssen. Diese Ausführung kostet Zeit. k) Können Sie sich einen Grund vorstellen, warum nicht alle MMI-Befehle in Spezialregister schreiben bzw. Spezialregister lesen können?

5 6.3 Speicher Speicher Der Speicher des MMI ist Byte-adressiert, d.h. das kleineste adressierbare Datenelement ist ein Byte (8 Bit). Wortbreiten Das Speichern (Allzweckregister! Speicher; engl. store) bzw. Laden (Speicher! Allzweckregister; engl. load) wird in folgenden Wortbreiten unterstützt: 1 Byte (8 Bit) 2 Byte (16 Bit), beim MMI Wyde genannt, 4 Byte (32 Bit), beim MMI Tetra genannt, 8 Byte (64 Bit), beim MMI Octa genannt. Ausrichtung der Daten im Speicher - Alignment Bei Speichermodulen sind die einzelnen Bytes in der Regel auf mehrere Speicherchips verteilt, bei einer Wortbreite von 64 Bit kann ein Speichermodul (ohne Speicherung von Paritätsbits) beispielsweise aus 16 Chips zu je 4 Bit oder 8 Chips zu je 8 Bit aufgebaut sein. Betrachten Sie das nachfolgende (einseitige) Speichermodul, in dem 64 Bit breite Datenworte aus 8 Speichermodulen zu je 8 Bit aufgebaut werden (es werden keine Paritätsbits betrachtet) Bei Zugriffen auf ein einzelnes Byte wird nur auf einen einzigen Speicherchip zugegriffen. Dabei können die letzten drei Adressbits dazu verwendet werden, den Speicherchip auszuwählen und die übrigen Adressbits wählen dann eine Adresse innerhalb des ausgewählten Chips aus. Bei Zugriffen auf 16 Bit breite Datenworte wählen die Adressbits 1 und 2 (das Adressbit 0 wird nicht ausgewertet) eine der vier Speicherchip-Gruppen (0,1), (2,3), (4,5) oder (6,7) aus. Die übrigen Adressbits (ab 3 aufwärts) wählen dann eine Adresse innerhalb der ausgewählten Chips aus. Das 16 Bit Datenwort setzt sich dann aus den 2 8 Bit der ausgewählten Speicherchip-Gruppe zusammen.

6 210 6 MMI-Prozessor Bei Zugriffen auf 32 Bit breite Datenworte wählt das Adressbit 2 (Adressbits 0 und 1 werden ignoriert) eine der zwei Speicherchip-Gruppen (0,1,2,3) oder (4,5,6,7) aus. Die Adressbits 3, 4, 5,... wählen eine Adresse innerhalb der ausgewählten Chips aus. Das 32 Bit Datenwort setzt sich dann aus den 4 8 Bit der ausgewählten Speicherchip-Gruppe zusammen. Bei Zugriffen auf 64 Bit breite Datenworte werden die Adressbits 0, 1 und 2 ignoriert. Die übrigen Adressbits wählen eine Adresse innerhalb der ausgewählten Chips aus. Das 64 Bit breite Datenwort setzt sich dann aus den 8 8 Bit der ausgewählten Speicherchip-Gruppe zusammen. Aus mehreren Byte zusammengesetzte Daten werden also idealerweise so im Speicher ausgerichtet (engl. aligned), dass auf sie gemäß obigem Schema mit nur einem einzigen Speicherzugriff zugegriffen werden kann. Datenworte können prinzipiell natürlich auch anders abgelegt werden, bspw. kann ein 32 Bit breites Datenwort auch auf die Chips 1, 2, 3 und 4 verteilt werden. Der Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Daten dann durch die Verdrahtung auf dem Speichermodul nicht automatisch richtig zusammengesetzt werden, sondern entweder durch zusätzliche Hardware oder durch Software-Befehle richtig zusammengefügt werden müssen. Aus diesem Grund werden aus mehreren Byte zusammengesetzte Datenworte in der Regel immer in der beschriebenen Weise ausgerichtet, sind also immer aligned. Der MMI unterstützt das beschriebene Alignment, indem er durch Löschen der niederwertigsten Adressbits die Menge gültiger Wortadressen wie folgt einschränkt: Byte Wyde Tetra Octa 0x x x x x x x x x x x A

7 6.3 Speicher 211 Das bedeutet: Bytes können an jeder Adresse abgelegt werden, Wydes können nur an Adressen abgelegt werden, die ein Vielfaches von 2 sind, Tetras können nur an Adressen abgelegt werden, die ein Vielfaches von 4 sind, Octas können nur an Adressen abgelegt werden, die ein Vielfaches von 8 sind. Big- und Little Endian Die Ausrichtung der Daten im Speicher (Alignment) beschreibt die Byte-Adressen, an denen aus mehreren Byte zusammengesetzte Datenworte abgelegt werden können. Ein 32 Bit breites Datenwort beginnt beispielsweise an einer durch 4 teilbarer Adresse und nimmt noch die nächsten vier Byte ein. Damit ist jedoch noch keine Aussage über die Adresse innerhalb der Menge der erlaubten Byte-Adressen getroffen, an der die verschiedenen Byte eines Datenworts abgelegt werden. Sollen die Byte eines aus mehreren Byte zusammengesetzten Datenworts der Reihe nach im Speicher abgelegt werden, gibt es zwei Möglichkeiten: Durch die (gültig ausgerichtete) Wort-Adresse wird das höherwertigste Byte adressiert. Das nennt man Big Endian. Durch die (gültig ausgerichtete) Wort-Adresse wird das niederwertigste Byte adressiert. Das nennt man Little Endian. Beispiele für Big-Endian Prozessoren sind MMI, MIPS, SPARC, Atmel AVR32 etc., Beispiele für Little-Endian-Prozessoren sind Intel x86, Renesas SH,... Beispiel: 32 Bit Zahl 0x an Adresse 0x : 0x x x x Big Endian 0x01 0x23 0x45 0x67 Little Endian 0x67 0x45 0x23 0x01

8 212 6 MMI-Prozessor Speicherorganisation Die Adressbreite des MMI beträgt 64 Bit, d.h. der MMI kann 2 64 Byte adressieren, von 0x bis 0xFFFF FFFF FFFF FFFF. Dieser Speicherbereich wird wie folgt aufgeteilt: 0x = Text_Segment 0x FF 0x x1FFF FFFF FFFF FFFF 0x = Data_Segment 0x3FFF FFFF FFFF FFFF 0x = Pool_Segment 0x5FFF FFFF FFFF FFFF 0x = Stack_Segment 0x7FFF FFFF FFFF FFFF 0x Interrupt-Vektoren Text-Segment MMI-Befehle Globale Variable (Heap) Daten-Segment Lokale Variable, Stack Pool-Segment Stack-Segment Betriebssystem-Segment 0xFFFF FFFF FFFF FFFF Text-Segment: Programme und Interrupt-Vektoren Im Text-Segment wird ausführbarer Befehlscode als aufeinander folgende Befehlsworte abgelegt. Da alle Befehlsworte 4 Byte breit sind, beginnen die Befehlsworte immer an einer durch 4 teilbaren Adresse. MMI-Programme können ab Adresse 0x100 im Speicher abgelegt werden. An welcher Adresse ein Programm genau beginnt, ist in der Symboltabelle der Objektdatei festgelegt. Die Objektdatei enthält Befehlsworte für den jeweiligen Prozessor (hier: MMI), die vom Loader (Teil des Betriebssystems das auszuführende Programme in den Speicher lädt) beim Starten des Programms in das Textsegment geladen

9 6.3 Speicher 213 werden. Neben den Befehlen enthält die Objektdatei auch Informationen über Vorbelegungen des Speichers sowie die Symboltabelle. Die Symboltabelle spezifiziert eine Menge von (Name! Adresse)-Paaren, über die Einsprungspunkte in Module, Funktionen, Blöcke etc. gefunden werden können. MMI-Programme beginnen an der Adresse, die durch den Symboltabellen-Eintrag Main festgelegt ist. Von Adresse 0x00 bis 0xFF ist die Interrupt-Vektor-Tabelle abgelegt. Die Interrupt-Vektor- Tabelle ist der Speicherbereich, in dem die Interrupt-Vektoren (s.u.) eines Prozessors abgelegt sind. Nachfolgende Abbildung zeigt den Aufbau der Interrupt-Vektor-Tabelle beim MMI. 0x00 0x04 0x08 0x0C 0x10 0x14 0x18 0x1C 0x20 0x24 0x28 0x2C 0x30 0x34 0x38 0x3C 0x40 0x44 0x48 0x4C 0x50 0x54 0x58 0x5C 0x60 0x64 0x68 0x6C 0x70 0x74 0x78 0x7C 0x80 0x84 0x88 0x8C Allgemeine Trips Division durch Null Integer-Überlauf Überlauf Gleitkomma- Festkomma-Wandlung Ungültige Gleitkoma- Operation Gleitkomma-Überlauf Gleitkomma-Unterlauf Gleitkomma-Division durch NULL Gleitkommazahl ungenau

10 214 6 MMI-Prozessor Interrupts sind (asynchrone) Programm-Unterbrechungen. Sie können auftreten, wenn ein Fehler aufgetreten ist (z.b. Division durch 0, Speicherzugriffsfehler), Zeitgeber (sog. Timer) abgelaufen sind, angeschlossene Geräte Daten empfangen haben etc. Interrupt-Service-Routinen (ISRs) sind Funktionen, die zur Behandlung der Interrupts aufgerufen werden. Beim Auftreten eines Timer-Interrupts können beispielsweise von einem angeschlossenen Gerät empfangene Daten verarbeitet werden, Meßwerte von einem externen Sensor eingelesen werden oder im Falle des Betriebssystem-Schedulers ein Prozess unterbrochen und ein anderer Prozess gestartet werden (time slicing). Interrupt-Service-Routinen sind wie normale Funktionen, werden jedoch nicht durch das laufende Software- Programm explizit (synchron) aufgerufen (wie z.b. printf() zur Ausgabe von Zeichen auf dem Bildschirm). Sie werden durch asynchron auftretende externe oder interne Ereignisse ausgelöst und durch die darauf folgende hardwarebasierte Änderung des Befehlszählers aufgerufen. Interrupt-Vektoren beschreiben für Interrupt-fähige Ereignisse die Adressen der zugehörigen ISRs, d.h. die Stellen im Speicher, an die der Prozessor im Fehlerfall automatisch verzweigen soll. Um im Ereignis-Fall automatisch in die entsprechende ISR zu verzweigen, muss in der Regel die Behandlung von Interrupts allgemein freigeschaltet sein (z.b. Bit globally enable interrupts in einem Spezialregister), aber auch das betreffende Ereignis (z.b. Division durch Null explizit zur Fehlerbehandlung durch Interrupts freigeschaltet sein; beim MMI beispielsweise über das betreffende Interrupt-Enable -Bit in ra. Für viele Fehler gibt es eigene Interrupt-Vektoren, wie z.b. bei Division durch Null. Andere Fehler werden oft zu einem allgemeinen Interrupt zusammengefasst. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Sprungziele der ISRs durch die Interrupt-Vektoren zu beschreiben. Die gängigsten sind: Interrupt-Vektoren enthalten direkt die Adresse der ISR, Interrupt-Vektoren enthalten die Adresse der ISR indirekt, d.h. sie enthalten eine Adresse auf ein Datenwort im Speicher, in dem die Adresse der ISR steht, Interrupt-Vektoren enthalten vom Prozessor ausführbare Befehle; die Befehle enthalten entweder die ISR selbst, oder einen Sprungbefehl zur

11 6.3 Speicher 215 ISR. Dieses Verfahren wird auch beim MMI verwendet. Dazu werden in die Interrupt-Vektoren Befehle eingetragen, die in die jeweiligen ISRs verzweigen. Daten-Segment Das Datensegment dient zur Aufnahme von Daten, die während der Befehlsausführung anfallen bzw. verarbeitet werden. Globale und statische Daten werden auf dem Heap abgelegt. Dieser beginnt ab Adresse 0x und wächst in Richtung höherer Adressen. Lokale Daten werden auf dem Stack abgelegt, der bei Adresse 0x3FFFFFFFFFFFFFFF bzw. 0x3FFFFFFFFFFFFFF8 (für Octas) beginnt und in Richtung niedrigerer Adressen wächst. Pool-Segment Das Pool-Segment ist ein Speicherbereich, der für den Datenaustausch zwischen Programm und Betriebssystem gedacht ist. Im Pool-Segment werden beispielsweise Programmen ihre Aufruf-Parameter übergeben. Dazu wird bei Programmstart in Register 0 die Anzahl der Parameter (argc = argument count) übergeben und in Register 1 die Adresse auf eine Null-terminierte Liste aus Zeigern, von denen jeder auf einen Parameter zeigt. Adresse 0x enthält die Adresse des ersten freien Pool-Segment-Datenworts. Nachfolgende Abbildung zeigt das Poolsegment beim Aufruf eines Programms skalprodarg mit den Parametern 4, 1, 2, 3, 4, 10, 20, 30 und 40. Adresse Wert (hex) Wert (ascii) 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 ` 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 p 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 x 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 Ç 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 ê 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 É 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 ÿ 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 á 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x x \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x x736b616c70726f64 s k a l p r o d 0x x a r g \0 \0 \0 \0 \0 0x x \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x x \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x x \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x x \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x x \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x x \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x a0 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x a8 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x b0 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 0x b8 0x \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0 \0

12 216 6 MMI-Prozessor Stack-Segment Das Stack-Segment dient beim sog. Register-Stack des MMI zur Auslagerung von Registern. Dieses Segment wird von uns nicht verwendet. Betriebssystem-Segment Dieser Speicherbereich ist für das Betriebssystem vorgesehen. Durch die gewählte Aufteilung kann am höherwertigsten Adress-Bit direkt abgelesen werden, ob der ausgeführte Befehl zum Betriebssystem (kernel space) oder zu einem Benutzerprogramm (user space) gehört. Damit lässt sich ein zwei Stufen umfassendes Privilegierungs-System aufbauen, bei dem beispielsweise bestimmte Befehle nur vom Betriebssystem verwendet werden dürfen oder Zugriffe auf bestimmte Resourcen (Register, angeschlossene Geräte,...) nur dem Betriebssystem erlaubt sind.

13 6.3 Speicher 217 Virtueller Speicher Die gezeigte Einteilung des Speichers in verschiedene Segmente bezieht sich auf den sog. virtuellen Speicher. Virtueller Speicher meint, dass die Speicheradressen, auf die ein Programm zugreift, nicht den realen, physikalischen Speicheradressen entsprechen. Die Umwandlung erfolgt durch die Hardware und wird vom Betriebssystem durch Einstellungen in Spezialregistern gesteuert. Auf diese Weise gaukelt das System einem Programm z.b. einen 64 Bit großen Adressraum vor, obwohl beispielsweise nur 8 GB Arbeitsspeicher im System installiert sind. Durch die vom Betriebssystem überwachte Abbildung von virtuellen auf reale Adressen kann ein Programm auf jede beliebige Speicheradresse zugreifen ohne mit dem Speicher anderer Programme zu kollidieren. Virtueller Speicher dreier Programme realer Speicher Interrupt-Vektoren 0 MMI-Befehle Text-Segment 0 Interrupt-Vektoren Globale Variable (Heap) Text-Segment Daten-Segment MMI-Befehle Lokale Variable, Stack Interrupt-Vektoren Pool-Segment Globale Variable (Heap) Text-Segment Daten-Segment MMI-Befehle Lokale Variable, Stack Stack-Segment Pool-Segment Globale Variable (Heap) Daten-Segment Lokale Variable, Stack Stack-Segment Betriebssystem-Segment Pool-Segment Stack-Segment Betriebssystem-Segment Betriebssystem-Segment

14 218 6 MMI-Prozessor Aufgaben Verständnis Speicher a) Wozu verwendet ein Computer Arbeitsspeicher? b) Wo findet man den Arbeitsspeicher in einem Computersystem? Auf dem Prozessor-Kern? Auf dem Mainboard? Als externes Gerät? c) Sind Zugriffe auf den Arbeitsspeicher in der Regel schneller oder langsamer als Zugriffe auf Register? d) Begründen Sie Ihre Antwort auf die letzte Frage.

15 6.3 Speicher 219 Alignment a) Welche Wortbreiten werden bei Speicherzugriffen vom MMI unterstützt? Wie werden diese genannt? b) Wofür steht der Begriff Alignment? c) Warum wird Alignment angewendet? d) Was würde passieren, wenn ein 64 Bit breites Datenwort an einer durch 4, aber nicht durch 8 teilbaren Adresse abgelegt werden würde?

16 220 6 MMI-Prozessor e) Welche Eigenschaft müssen Byte-, Wyde-, Tetra- und Octa-Adressen beim MMI haben? Big- und Little-Endian a) Welche Art von Daten betrifft die Abspeicherung als Big- oder Little-Endian? b) Verwendet der MMI-Prozessor Big- oder Little-Endian? c) Was bedeutet Big- und Litle-Endian? Was ist der Unterschied? d) Wie wird die 16 Bit-Zahl 0x1234 im Speicher an der Adresse 0x abgelegt im Falle einer Big-Endian- und einer Little-Endian-Maschine? Adresse Big Endian Little Endian 0x x

17 6.3 Speicher 221 T e) Wie wird im Speicher an der Adresse 0x die 32 Bit-Zahl 0x abgelegt im Falle einer Big-Endian- und einer Little-Endian-Maschine? Adresse Big Endian Little Endian 0x x x A 0x B f) Wie wird im Speicher an der Adresse 0x die 64 Bit-Zahl abgelegt im Falle einer Big-Endian- und einer Little-Endian-Maschine? Adresse Big Endian Little Endian 0x x x A 0x B 0x c 0x D 0x E 0x F

18 222 6 MMI-Prozessor Speicherorganisation a) Was wird im Textsegment gespeichert? b) Was ist ein Interrupt? c) Nennen Sie ein Ereignis, bei dem ein Interrupt auftreten kann. d) Was sind Interruptvektoren? e) Was wird im Datensegment gespeichert?

19 American Standard Code for Information Interchange Wikipedia : Speicher 223 boten auch Acht-Bit-Codes, in denen ein Byte für ein Zeichen stand, zu wenig Platz, um alle Zeichen der menschlichen Schriftkultur gleichzeitig unterzubringen. Dadurch wurden mehrere verschiedene spezialisierte Erweiterungen notwendig. Daneben existieren vor allem für den ostasiatischen Raum einige ASCII-kompatible Kodierungen, die entweder zwischen verschiedenen f) Codetabellen Was wird umschalten im Poolsegment oder mehr gespeichert? als ein Byte für jedes Nicht-ASCII-Zeichen benötigen. [1] Keine dieser Acht-Bit-Erweiterungen ist aber ASCII, denn das bezeichnet nur den einheitlichen Sieben-Bit-Code. Für die Kodierung lateinischer Zeichen wird fast nur noch im Großrechnerbereich eine zu ASCII inkompatible Kodierung verwendet (EBCDIC). Zusammensetzung Gegeben ist die nachfolgend abgebildete ASCII-Tabelle: ASCII-Zeichentabelle, hexadezimale Nummerierung Code A B C D E F 0 NUL SOH ST ET EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI 1 DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US 2 SP! " # $ % & ' ( ) * +, -. / : ; < = >? A B C D E F G H I J K L M N O 5 P Q R S T U V W Y Z [ \ ] ^ _ 6 ` a b c d e f g h i j k l m n o 7 p q r s t u v w x y z { } ~ DEL Die ersten 32 ASCII-Zeichencodes (von 00 bis 1F) sind für Steuerzeichen (control character) reserviert; siehe dort für die Erklärung der Abkürzungen in obiger Tabelle. Das sind Zeichen, die g) Geben Sie den Inhalt des Poolsegments für das Programm ls an, das mit dem keine Schriftzeichen darstellen, sondern die zur Steuerung von solchen Geräten dienen (oder dienten), Parameter die den -la ASCII aufgerufen verwenden wird (etwa (Aufruf: Drucker). ls -la). Steuerzeichen sind beispielsweise der Wagenrücklauf für den Zeilenumbruch oder Bell (die Glocke); ihre Definition ist historisch begründet. Code 20 (SP) 0x ist das Leerzeichen (engl. space oder blank), das in einem Text als Leer- und Trennzeichen zwischen Wörtern verwendet und auf der Tastatur durch die Leertaste erzeugt wird. 0x Die Codes 21 bis 7E stehen für druckbare Zeichen, die Buchstaben, Ziffern und Satzzeichen umfassen. 0x Code 7F (alle 0x sieben Bits auf eins gesetzt) ist ein Sonderzeichen, das auch als Löschzeichen bezeichnet wird (DEL). Dieser Code wurde früher wie ein Steuerzeichen verwendet, um auf Lochstreifen 0x oder Lochkarten ein bereits gelochtes Zeichen nachträglich durch das Setzen aller Bits, das heißt durch Auslochen aller sieben Markierungen, löschen zu können einmal vorhandene Löcher 0x kann man schließlich nicht mehr rückgängig machen. Bereiche ohne Löcher 0x Page 3 of 11 0x

20 224 6 MMI-Prozessor T h) Geben Sie den Inhalt des Poolsegments für das Programm rm an, das mit dem Parameter -rf und * aufgerufen wird (Aufruf: rm -rf *). 0x x x x x x x x i) Wie werden in der Programmiersprache C einem Programm Parameter übergeben? j) Wie kann man in der Programmiersprache C auf die Parameter zugreifen?

21 6.3 Speicher 225 k) Wie kann man beim MMI auf die Paramter zugreifen? Virtueller Speicher a) Wenn alle Programme an Adresse 0x100 beginnen bzw. alle Programme ihre Daten ab Adresse 0x im Speicher ablegen: Überschreiben die verschiedenen Programme dann nicht gegenseitig ihre Daten? Ja/nein und warum? b) Was bedeutet virtueller Speicher? c) Wozu ist virtueller Speicher gut?

22 226 6 MMI-Prozessor 6.4 MMI-Programme MMI-Programme bzw. Assembler-Programme für den MMI-Prozessor sind Quelltext- Dateien mit Befehlen für den MMI-Prozessor; die vom MMI unterstützen Befehle nennt man auch Befehlssatz-Befehle den Loader; der Loader ist derjenige Teil des Betriebssystems, der auszuführende Programme vom der Festplatte/SSD in den Speicher lädt den Assemblierer; der Assemblierer, oft auch Assembler genannt, ist das Computerprogramm, das MMI-Quelltext in Binärdateien mit MMI-Befehlen und Loader-Anweisungen übersetzt Aufbau Nachfolgende Abbildung zeigt, wie MMI-Programme (Quelltext) aus vier durch Leerzeichen und Tabulatoren voneinander getrennte Spalten aufgebaut sind. Marke Befehl Operanden Kommentar LOC Data_Segment SP GREG Pool_Segment A OCTA A initialisieren a IS $1 Name für $1 LOC #100 Beginne an 0x100 Main LDO a,a A in Reg. a laden Start SUB SP,SP,8 STO a,:sp, In der ersten Spalte stehen Marken. Marken sind Namen, über die Speicherstellen (Befehle oder Daten) angesprochen werden können. Bis auf die Marke Main (Programm-Beginn) sind Marken optional.

23 6.4 MMI-Programme 227 Enthält eine Zeile Befehle, jedoch keine Marke, dann muss die Zeile mit einem Leerzeichen oder Tabulator beginnen. Anderenfalls würde der Befehl als Marke interpretiert und die Operanden als Befehl, was zu Fehlern führen würde. Beginnt eine Zeile mit einem Zeichen /2 {a... z, A...Z, 0...9}, so wird diese Zeile als Kommentar ignoriert. In der zweiten Spalte stehen Befehle, d.h. sowohl Befehle aus dem Befehlssatz des MMI-Prozessors, als auch Anweisungen für den Assembler oder Loader. In der dritten Spalte stehen die Operanden. Mehrere Operanden werden durch Komma (ohne Leerzeichen) getrennt. In der vierten Spalte stehen Kommentare. Kommentare sind optional. Sie können Leerzeichen enthalten. Assembler- und Loader-Befehle Der IS-Befehl Der IS-Befehl ist eine Assemblierer-Anweisung, d.h. er wird von dem Assemblierungs- Programm ausgeführt, das in Assembler-Sprache geschriebene Befehle in Maschinensprache (Nuller und Einser) übersetzt. Der IS-Befehl dient dazu, Allzweck-Register sinnvoll benennen zu können. Die Syntax des Befehls lautet: Name IS Register Name ist der neue Name, Register das entsprechende Register. Ein Beispiel für die Anwendung des IS-Befehls lautet: Seitenlaenge IS $3 Dieser Befehl veranlasst den Assemblierer dazu, im Quelltext nach den Zeichenketten Seitenlaenge zu suchen und diese durch die Zeichenkette $3 zu ersetzen. Dieser Schritt wird wie der Präprozessor in C vor der Übersetzung des Programms in Maschinensprache ausgeführt. Der GREG-Befehl Der GREG-Befehl ist ein Loader-Befehl, d.h. er wird vom Loader beim Laden eines auszuführenden Programms von der Festplatte/SSD in den Arbeitsspeicher ausgeführt. Der GREG-Befehl reserviert das nächste freie globale Register (d.h. er verringert die in rg stehende Zahl um den Wert 1). Wenn für den GREG-Befehl ein Parameter angegeben

24 228 6 MMI-Prozessor ist, wird das globale Register mit dem entsprechenden Wert initialisiert. Die Syntax des GREG-Befehls lautet: Name GREG Wert Name ist der Wert, über den das neue globale Register ansprechbar sein soll (wie beim IS-Befehl), Wert ist der Initialisierungs-Wert. Name oder Wert sind optional. Beispiel: Steht in Register rg der Wert 255, dann hat der Befehl SP GREG # folgende Auswirkungen: Der in rg abgespeicherte Wert wird von 255 auf 254 geändert. In Register 254 wird der Wert 0x abgespeichert; beim MMI- Assemblierer werden hexadezimale Zahlen mit einer führenden Raute ( # ) statt mit führendem 0x gekennzeichnet. Register 254 kann auch über den Namen SP angesprochen werden. Der LOC-Befehl Der LOC-Befehl ist ein Loader-Befehl. LOC steht für locate an address und setzt die Eingabemarke des Loaders auf die als Parameter angegebene Adresse. Der Befehl teilt dem Loader beim Laden einer ausführbaren MMI-Datei in den Arbeitsspeicher mit, ab welcher Adresse Befehlscode in den Speicher geschrieben oder ab welcher Speicher-Adresse Variable angelegt werden sollen. Die Syntax des Befehls lautet: LOC Adresse Als Adresse kann entweder eine Zahl, oder ein Segmentname (z.b. Data_Segment) angegeben werden. Der Befehl LOC #100 zeigt dem Loader beispielsweise an, dass die nachfolgenden Daten im Speicher ab Adresse 0x100 abgelegt werden sollen. Die vom Loader aktuell betrachtete Adresse wird beim MMI mit dem meint dabei the place where we are at.

25 6.4 MMI-Programme 229 Die Befehle BYTE, WYDE, TETRA und OCTA Die Befehle BYTE, WYDE, TETRA und OCTA sind Loader-Befehle, die Datenworte der Größe 8 Bit (BYTE), 16 Bit (WYDE), 32 Bit (TETRA) und 64 Bit (OCTA) im Speicher allozieren (anlegen) und diesen bei Angabe von Parametern auch initialisieren. Die Syntax lautet: Marke Befehl Wert Befehl ist einer der Anweisungen BYTE, WYDE, TETRA, OCTA, Marke ist der Name (auch Marke genannt), über den auf die Adresse der allozierten Daten zugegriffen werden kann, und Wert der Zahlenwert, mit dem das Datenwort initialisiert werden soll; werden mehrere Werte durch Komma (ohne Leerzeichen) getrennt, werden mehrere Datenworte desselben Typs angelegt. Beispiel: Die Befehle LOC Vektor BYTE 1,2,3 Data_Segment reservieren im Speicher an Adresse 0x drei Byte und initialisieren diese mit den Werten 1, 2 und 3. Nachfolgende MMI-Befehle können auf die Adresse des ersten Byte (das Byte, in dem die 1 gespeichert ist) über die Marke Vektor zugreifen. Beim MMI werden aus mehreren Byte zusammengesetzte Datenworte (Wyde, Tetra, Octa) an Adressen ausgerichtet, die dem ganzzahligen Vielfachen ihrer Datenwortbreite entsprechen (Alignment). Zur Einhaltung des Alignments werden ggf. Leer-Byte eingefügt. Die Kodierung der Datenworte folgt dem Big-Endian-Schema. Mit jedem durch BYTE, WYDE, TETRA oder OCTA allozierten Datenwort wird die aktuelle um die entsprechende Byteanzahl erhöht. Müssen aufgrund des Alignments Leer-Byte eingefügt werden, so werden diese bei der Erhöhung ebenfalls berücksichtigt.

26 230 6 MMI-Prozessor Aufgaben a) Aus wievielen/welchen Spalten bestehen MMI-Programme? b) Wie werden die Spalten im Programmcode getrennt? c) Wie muss man MMI-Codezeilen schreiben, die keine Marke verwenden? d) Wie kann man beim MMI-Assembler eine komplette Zeile auskommentieren? T e) Werden alle vier Spalten eines MMI-Programms für den Übersetzungsvorgang herangezogen? Gehen Sie auf die einzelnen Spalten ein.

27 6.4 MMI-Programme 231 f) Geben Sie Anweisungen an, mit denen Sie die Register 0, 1 und 2 durch die Namen a, b und c ansprechbar machen. T g) Geben Sie Anweisungen an, mit denen Sie die Register 1, 2 und 3 durch die Namen ankathete, gegenkathete und hypothenuse ansprechbar machen. h) Geben Sie die Anweisung an, mit denen Sie ein globales Register anlegen, dieses über den Namen PI ansprechbar machen und mit 0x400921FB54442EEA initialisieren. T i) Geben Sie die Anweisung an, mit denen Sie ein globales Register anlegen und dieses über den Namen A ansprechbar machen.

28 232 6 MMI-Prozessor T j) Mit welchen Befehlen können Sie Worte der Länge 8, 16, 32 und 64 Bit im Speicher reservieren? T k) Was ist der Loader? l) Geben Sie Befehle an, mit denen Sie an Speicheradresse # vier Bytes reservieren, die über die Marken A, B, C und D angesprochen werden können. A soll mit 1 und B mit 2 initialisiert werden. Fügen Sie auch einen geeigneten Befehl zur Reservierung und Initialisierung eines globalen Registers mit dem Wert 0x ein.

29 6.4 MMI-Programme 233 T m) Geben Sie Befehle an, mit denen Sie an Speicheradresse # zwei 64 Bit Werte reservieren, die über die Marken Null, NaN und Inf angesprochen werden können. Null soll mit der Gleitkommazahl 0.0 initialisiert werden, NaN mit der Gleitkomma-Kodierung Not a Number und Inf mit der Gleitkomma- Kodierung unendlich. Fügen Sie auch einen geeigneten Befehl zur Reservierung und Initialisierung eines globalen Registers mit dem Wert 0x ein. Betrachten Sie die folgenden Befehle: Y Z LOC # BYTE WYDE OCTA n) Geben Sie die Adressen an, an denen und Y im Speicher abgelegt werden. o) An welchen Adressen wird Z abgelegt?

30 234 6 MMI-Prozessor Betrachten Sie die folgenden Befehle: A B C D LOC # WYDE TETRA BYTE OCTA T p) Geben Sie die Adressen an, an denen A, B, C und D im Speicher abgelegt werden.