Az ISA szint tervezsi szempontjai Hossz tv ksbb

Az ISA szint tervezési szempontjai • Hosszú távú: később is jó legyen az architektúra, Rövid távú: addig is piacon kell maradni. • Rövidebb utasítások: kevesebb helyet foglalnak el, gyorsabban betölthetők, Hosszabb utasítások: több lehetséges műveleti kód, nagyobb memória címezhető. • Bájt címzés: hatékonyabb szöveg feldolgozásnál, Szó címzés: nagyobb memória címezhető. • … Utasításformák, utasításhossz (5. 9 -10. ábra). Máté: Architektúrák 11. előadás 1

A műveleti kód kiterjesztése k bites műveleti kód esetén 2 k különböző utasítás lehet, n bites címrésznél 2 n memória címezhető, és egyik csak a másik rovására növelhető (5. 11. ábra). Változó hosszúságú műveleti kód (5. 12. ábra). Lehetőségek: • fix utasításhossz: rövidebb kód mellett hosszabb operandus rész, • minimális átlagos utasításhossz: a gyakori kódok rövidek, a ritkán használtak hosszabbak. Máté: Architektúrák 11. előadás 2

Címzési módszerek 3, 2, 1, 0 címes utasítások. Címzési módok: közvetlen operandus, direkt címzés, regiszter címzés regiszter-indirekt címzés, indexelt címzés, bázisindex címzés, verem címzés. Máté: Architektúrák 11. előadás 3

Verem címzés Fordított Lengyel Jelölés (Postfix Polish Notation - Lukasiewicz) Postfix jelölés: a kifejezéseket olyan formában adjuk meg, hogy az első operandus után a másodikat, majd ezután adjuk meg a műveleti jelet: infix: x + y, postfix: x y +. Előnyei: nem kell zárójel, sem precedenciaszabályok, jól alkalmazható veremcímzés esetén. Máté: Architektúrák 11. előadás 4

Dijkstra algoritmusa Infix jelölés konvertálása postfix-re (5. 20, 21. ábra): • az infix elemek egy váltóhoz (switch) érkeznek - a változók és konstansok Kaliforniába mennek ( ), • a többi esetben a verem tetejétől függően (5. 21. ábra): – a kocsi Texas felé megy (1: ), – a verem teteje Kaliforniába megy (2: ), – a kocsi eltűnik a verem tetejével együtt (3: ), – vége az algoritmusnak (4: ), – hibás az infix formula (5: ? ). Példák: 5. 22. ábra. Máté: Architektúrák 11. előadás 5

Fordított lengyel jelölésű formulák kiértékelése Pl. (5. 23. ábra): (8 + 2 * 5)/(1 + 3 * 2 – 4) // infix 825*+132*+4–/ // postfix Olvassuk a formulát balról jobbra! Ha a következő jel • operandus: rakjuk a verembe, • műveleti jel: hajtsuk végre a műveletet (a verem tetején van a jobb, alatta a bal operandus!). Máté: Architektúrák 11. előadás 6

Pentium II utasításformái (5. 13. ábra) Több generáción keresztül kialakult architektúra. Csak egy operandus lehet memória cím. Prefix, escape (bővítésre), MOD, SIB (Scale Index Base – Skála Index Bázis). Címzési módok (5. 26. ábra): nagyon szabálytalan, nehéz (kompatibilitás). Baj: nem minden utasításban használható minden mód, nem minden regiszter használható minden módban (nincs EBP indirekt, ESP relatív címzés). SIB (5. 27. ábra): jó, de megéri? Máté: Architektúrák 11. előadás 7

Ultra. SPARC (5. 14. ábra) 32 bites egyszerű utasítások. Regiszter címzés (5 bit) + FP-OP, közvetlen (13 bit). LOAD, STORE és processzorokat szinkronizáló utasítás (memóriát használó utasítások): a cím vagy két regiszter összege, vagy index + 13 bites eltolás. 32 bites közvetlen adat megadása: SETHI – megad 22 bitet, a következő utasítás a maradék 10 bitet. Jósláshoz 3 bitet elcsíptek a PC-relatív eltolásból. Az A bit az eltolás rést akadályozza meg bizonyos feltételek esetén. CALL, 30 bites relatív cím (szót címez). Máté: Architektúrák 11. előadás 8

JVM (5. 15. ábra) Változó hosszúságú egyszerű utasítások, 8 kivételével mind 1, 2 vagy 3 típusú, a legtöbb 1 bájtos. Külön utasítások a kis indexű lokális változók betöltésére: ILOAD_1 ≡ ILOAD 1 ≡ WIDE ILOAD 1 Címzési módok: közvetlen és index címzési mód (5. 15. ábra). Máté: Architektúrák 11. előadás 9

Orthogonalitási elv: Jó architektúrában a műveleti kódok és a címzési módszerek (majdnem) szabadon párosíthatók. Három címes elképzelés (5. 24. ábra): A 2. típus közvetlen adat megadást, és index módú LOAD és STORE utasítást tesz lehetővé. A 3. típusba elágazó, eljárás hívó utasítások tartoznának, és ide is tartozna LOAD és STORE, ezek R 0 -t használnák. Két címes elképzelés (5. 25. ábra). Összefoglaló: 5. 28. ábra. A bonyolult címzési módok tömörebb programokat tesznek lehetővé, de nehezítik a párhuzamosítást. Ha a párosítás nem történhet szabadon, akkor jobb, ha csak egy választási lehetőség van (egyszerűbb hatékony fordítóprogramot írni). Máté: Architektúrák 11. előadás 10

• • Utasítástípusok Adatmozgató (másoló) utasítások. Diadikus: +, -, *, /, AND, OR, NOT, XOR, … Monadikus: léptetés, forgatás, CLR, INC, NEG, … Összehasonlítás, feltételes elágazás: Z, O, C, … Eljáráshívás. Visszatérési cím: rögzített helyre (rossz) - az eljárás első szavába (jobb) - verembe (rekurzív eljárásokhoz is jó). Ciklusszervezés (5. 29. ábra): számláló Input/output (5. 30 -32. ábra): - programozott I/O: tevékeny várakozás, 5. 31. ábra - megszakítás vezérelt I/O - DMA I/O (5. 32. ábra): cikluslopás Máté: Architektúrák 11. előadás 11

A Pentium II utasításai • Egész utasítások legnagyobb része: 5. 33. ábra. • Egyéb utasítások (pl. lebegőpontosak). Az Ultra. SPARC utasításai Összes egész utasítás: 5. 34. ábra. A utasításnévben CC: beállítja a feltételkódot. Szimulált utasítások (5. 35. ábra), pl. : MOV SRC, DST ≡ OR SRC, G 0, DST A pico. Java II utasításai (5. 36. ábra) Típusoltság biztonsági okokból. I (int: 32), L (long: 64) F (float: 32) D (double: 64 bit) Máté: Architektúrák 11. előadás 12

Vezérlési folyamat Szekvenciális vezérlés: Az utasítások abban a sorrendben kerülnek végrehajtásra, ahogy a memóriában elhelyezkednek. Elágazás: 5. 37. ábra. Eljárás (5. 42. ábra): Az eljáráshívás úgy tekinthető, mint egy magasabb szinten definiált utasítás végrehajtása: elég, ha azt tudjuk, mit csinál az eljárás, nem lényeges, hogyan. Rekurzív eljárás: önmagát közvetlenül vagy közvetve hívó eljárás. Máté: Architektúrák 11. előadás 13

Hanoi tornyai (5. 38 -39. ábra) Rekurzív eljárás, amely n korongot mozgat át i-ről jre (5. 40. ábra. ): public void towers (int n, int i, int j) { int k; if(n==1) System. out. println(”korong: ”+i+”->”+j); else { k=6 -i-j; towers(n-1, i, k); towers(1, i, j); towers(n-1, k, j); } } Máté: Architektúrák 11. előadás 14

towers(3, 1, 3) towers(2, 1, 2) towers(1, 1, 3) towers(1, 1, 2) towers(1, 3, 2) towers(1, 1, 3) towers(2, 2, 3) towers(1, 2, 1) towers(1, 2, 3) towers(1, 1, 3) 1 -> 3 1 -> 2 3 -> 2 1 -> 3 5. 41. ábra a verem k= után (a) k= után (b) k= után (c) visszatérés után (d) k= után (e) 2 -> 1 2 -> 3 1 -> 3 5. 39. ábra Máté: Architektúrák 11. előadás 15

Rekurzív eljárások megvalósításához veremre van szükség. Minden hívás esetén az eljárás paramétereit a verembe kell tenni, és ott kell elhelyezni a lokális változókat is! Eljárás prológus: a régi verem keret mutató (FP) elmentése, új verem keret mutató megadása és a verem mutató (SP) növelése, hogy legyen hely a veremben a lokális változók számára. Eljárás epilógus: visszatéréskor a verem kitakarítása. Máté: Architektúrák 11. előadás 16

5. 45. ábra: Pentium II program (~5. 45. ábra). 5. 46. ábra: Ultra. SPARC II program, eltolás rés! 5. 47. ábra: JVM program, kb. jó, csak az angolról fordítás miatt az elejét módosítani kellett volna: ”Move disk from” i ”to” j ”Korong mozgatása” i ”-ről” j ”-re” Máté: Architektúrák 11. előadás 17

• • • Vezérlési folyamat Szekvenciális vezérlés (5. 37. ábra) Elágazás. Eljárás: 5. 42. ábra. Csapdák. Megszakítások. Korutinok: 5. 43. ábra. Párhuzamos feldolgozás szimulálására alkalmas egy CPU-s gépen. goto helyett jobb a ciklus vagy az eljárás alkalmazása. Máté: Architektúrák 11. előadás 18

Assembler egy sor olvasása a beolvasott sor fordítása a lefordított utasítás az object file-ba a sor és a lefordított utasítás a lista file-ba előre hivatkozási probléma Máté: Architektúrák 11. előadás 19

Megoldási lehetőség: Az assembler kétszer olvassa a program szövegét (két menet). Az első menet célja összegyűjteni, táblázatba foglalni a szimbólum definíciókat, így a második menet idején már minden (a programban definiált) szimbólum ismert, tehát a második menetben már nem jelentkezik az előre hivatkozás problémája. Valahogy megpróbálni a fordítást egy menetben. Késleltetni a fordítást ott, ahol előre hivatkozás van, pl. táblázatba tenni a még le nem fordított részeket. A menet végén már minden szimbólum ismert, ekkor feldolgozni a táblázatot. Esetleg minden szimbólum definíciót követően azonnal feldolgozni a szimbólumra vonatkozó korábbi hivatkozásokat. Máté: Architektúrák 11. előadás 20

Mindkét esetben szükség van szimbólum tábla készítésére, de az utóbbi megoldásban a még le nem fordított utasítások miatt is szükség van táblázatra. További nehézséget jelent, hogy nem sorban készülnek el a tárgy kód (object code) utasításai, ezért ezeket pl. listába kell helyezni, majd rendezni a listát, és csak ezután történhet meg az object és a lista file elkészítése. Manapság a legtöbb assembler két menetben működik. Máté: Architektúrák 11. előadás 21

Két menetes assembler, első menet Legfontosabb feladata a szimbólum tábla felépítése. A szimbólum tábla: A szimbólum neve értéke egyéb információk . . érték: – címke címe, – változó címe, – szimbolikus konstans értéke. egyéb információk: – típus, – méret, – szegmens neve, amelyben a szimbólum definiálva van, – relokációs flag, –. . . Máté: Architektúrák 11. előadás 22

Literál: pl. az IBM 370 -es gépcsaládon: L 14, =F’ 5’ ; Load register 14 az 5 -ös ; Full Word konstanssal Többek között a literálok gyakori használata vezetett a közvetlen operandus megadás kialakulásához és elterjedéséhez. Máté: Architektúrák 11. előadás 23

Egy lehetséges operációs kód tábla egy részlete: mnemonic AAA ADD. . . AND. . . op 1 reg 8 reg 16. . . op 2 reg 8 reg 16. . . kód 37 02 03. . . hossz 1 2 2. . . osztály 6 10 11. . . reg 8 reg 16. . . 22 23. . . 2 2. . . 10 11. . . Máté: Architektúrák 11. előadás 24

procedure ElsőMenet; 1. menet, vázlat const méret = 8; End. Utasítás = 99; var Hely. Számláló, osztály, hossz, kód: integer; Van. Input: boolean; szimbólum, literál, mnemo: array[1. . méret] of char; sor: array[1. . 80] of char; begin Előkészítés; Táblák. Iinicializálása; Hely. Számláló : = 0; Van. Input = true; Máté: Architektúrák 11. előadás 25

while Van. Input do begin sorok feldolgozása Sor. Olvasás(sor); Megőrzés(sor); if Nem. Komment(sor) then begin nem kommentár Szimbólum. Def(sor, szimbólum); if szimbólum[1] ’ ’ then szimbólum definíció Új. Szimbólum(sor, szimbólum, Hely. Számláló); Literál. Keresés(sor, literál); if literál[1] ’ ’ then Új. Literál(literál); hossz : = 0; Op. Kód. Keresés(sor, mnemo); Op. Kód. Táblában(sor, mnemo, osztály, kód); Máté: Architektúrák 11. előadás 26

if osztály 0 then nem létező utasítás Pszeudo. Táblában(sor, mnemo, osztály, kód); if osztály 0 then Hibás. Op. Kód; hossz : = típus(osztály); utasítás hossza Hely. Számláló : = Hely. Számláló + hossz; if osztály = End. Utasítás then begin Van. Input : = false; Literál. Tábla. Rendezés; Duplikátumok. Kiszűrése; Lezárások; end; {if osztály = } end; nem kommentár end; while Van. Input end; 1. menet Máté: Architektúrák 11. előadás 27

Op. Kód. Keresés eljárás triviális, mindössze az a feladata, hogy a sor-ban az első szóköz után a látható karaktereket a következő szóközig terjedően mnemo-ba másolja. Op. Kód. Táblában eljárás meglehetősen bonyolult, az operandusok elemzésével kell megállapítania, hogy az utasítás melyik osztály-ba tartozik. Látszólag feleslegesen határozza meg a kód-ot, de a többi feladata mellett ez már nagyon egyszerű, és így ez a függvény a második menetben változtatás nélkül alkalmazható. Az Op. Kód. Táblában eljárás nem alkalmas pl. az ORG pszeudo utasítás feldolgozására! Nem ismeri a Hely. Számláló-t. A Sor. Olvasás(sor); Megőrzés(sor); arra utal, hogy a második menetben olvashatjuk az első menet eredményét. Pl. az első menet folyamán szokás elvégezni az INCLUDE utasításokhoz, a makró definíciókhoz és makró hívásokhoz tartozó feladatokat. Máté: Architektúrák 11. előadás 28

Az Előkészítés valami ilyesmi lehet: Push(NIL); sehova mutató pointer a verembe Input. File. Nyitás; p = Program. Szöveg. Kezdete; . . . A továbbiak során p mutatja a következő feldolgozandó karaktert. A Sor. Olvasás eljárás: begin while p = EOF do begin Pop(p); if p = NIL then ENDHiba; nincs END utasítás end; Egy. Sor. Olvasás(sor); end; Máté: Architektúrák 11. előadás 29

Ha sor történetesen INCLUDE utasítás, akkor az Egy. Sor. Olvasás eljárás ezt a következőképpen dolgozhatja fel: Push(p); Include. File. Nyitás; p = Include. Szöveg. Kezdete; Máté: Architektúrák 11. előadás 30

procedure Második. Menet; 2. menet, vázlat const méret = 8; End. Utasítás = 99; var Hely. Számláló, osztály, hossz, kód: integer; Van. Input: boolean; szimbólum, mnemo: array[1. . méret] of char; sor: array[1. . 80] of char; operandusok[1. . 3] of integer; op 1, op 2, címzési mód byte object: [1. . 10] of byte; begin Előkészítés 2; {nincs Táblák. Iinicializálása; } Hely. Számláló : = 0; Van. Input = true; Máté: Architektúrák 11. előadás 31

while Van. Input do begin sorok feldolgozása Sor. Olvasás 2(sor); {nincs Megőrzés(sor); } if Nem. Komment(sor) then begin nem kommentár Szimbólum. Def(sor, szimbólum); if szimbólum[1] ’ ’ then szimbólum definíció Szimbólum. Ellenőrzés (sor, szimbólum, Hely. Számláló); {nincs Literál. Keresés(sor, literál); hossz : = 0; Op. Kód. Keresés(sor, mnemo); Op. Kód. Táblában(sor, mnemo, osztály, kód); Máté: Architektúrák 11. előadás 32

if osztály 0 then nem létező utasítás Pszeudo. Táblában(sor, mnemo, osztály, kód); if osztály 0 then Hibás. Op. Kód 2; Most készül a lista! case osztály of 0: hossz : = fordít 0(sor, operandusok); 1: hossz : = fordít 1(sor, operandusok); . . . end; Összeállítás (kód, osztály, operandusok, object); Object. Kiírás(object); Listázás(Hely. Számláló, object, sor); Hely. Számláló : = Hely. Számláló + hossz; Máté: Architektúrák 11. előadás 33

if osztály = End. Utasítás then begin Van. Input : = false; {nincs Literál. Tábla. Rendezés; Duplikátumok. Kiszűrése; } Lezárások 2; end; {if osztály = } end; nem kommentár end; while Van. Input end; 2. menet Máté: Architektúrák 11. előadás 34

Összeállítás = assemble Az assembler számos hibát ismerhet fel: • használt szimbólum nincs definiálva, • egy szimbólum többször van definiálva, • nem létező operációs kód, • nincs elegendő operandus, • túl sok operandus van, • hibás kifejezés (pl. 9 egy oktális számban), • illegális regiszter használat, • típus hiba, • nincs END utasítás, • . . . Máté: Architektúrák 11. előadás 35

Számos olyan hibát azonban, melyet a magasabb szintű nyelvek fordítói könnyen felismernek – vagy egyáltalán elő se fordulhatnak – az assembler nem tud felderíteni: • az eljárás hívás paramétereinek típusa nem megfelelő, • a regiszter mentések és helyreállítások nem állnak „párban”, • hibás vagy hiányzik a paraméter vagy a lokális változó terület ürítése a veremből, • a hívás és a hívott eljárás helyén érvényes ASSUME-ok ellentmondásosak (nem feltétlenül hiba, de az lehet), • . . . Máté: Architektúrák 11. előadás 36

Az object file nemcsak a lefordított utasításokat tartalmazza, hanem további – a szerkesztőnek szóló – információt is. Máté: Architektúrák 11. előadás 37

Makró generátor Feladata a makró definíciók megjegyzése (pl. makró táblába helyezése) és a makró hívások kifejtése. Általában az assembler első menetében működik. Makró definíciók felismerése Amennyiben az assembler a forrás szöveg olvasása közben makró definíciót talál (ezt könnyű felismerni a műveleti kód részen lévő MACRO szó alapján), akkor a makró definíció teljes szövegét – az ENDM műveleti kódot tartalmazó sor végéig – elhelyezi a makró táblában. A felismerést és a tárolást a Sor. Olvasás vagy a Pszeudo. Táblában eljárás végezheti. Máté: Architektúrák 11. előadás 38

Makró hívások kifejtése Az Op. Kód. Táblában(sor, mnemo, osztály, kód); if osztály 0 then nem létező utasítás Pszeudo. Táblában(sor, mnemo, osztály, kód); programrész után be kell szúrni az if osztály 0 then MakróTáblában(sor, mnemo, osztály, kód); sorokat. A eljárás feladata a makró hívás felismerése és a makró helyettesítés is. A kifejtett makró egy pufferbe kerül, a puffer tartalma az INCLUDE utasításnál látottakhoz hasonlóan illeszthető a program szövegébe. Máté: Architektúrák 11. előadás 39

A makró kifejtés egy ciklikusban: Egy. SzóOlvasása. AMakróTörzsből; if Formális. Paraméter then AMegfelelőAktuális. ParaméterÁtmásolása; else ASzóÁtmásolása; Elválasztójel. Feldolgozása; Az Elválasztójel. Feldolgozása legtöbbször az elválasztójel másolását jelenti, de a makró definícióban különleges szerepet játszó karakterek esetén ettől eltérő – magától értetődő – speciális feladatot kell végrehajtani. Máté: Architektúrák 11. előadás 40

A LOCAL utasítás feldolgozásához a makró generátor egy 0 kezdeti értékű változót használ. Makró híváskor a LOCAL utasításban szereplő szimbólumot, és az összes előfordulását a makró törzsben ? ? xxxx alakú azonosítóval helyettesíti, ahol xxxx a változó aktuális értéke hexadecimális számrendszerben. A változó értékét minden a LOCAL utasításban szereplő szimbólum feldolgozása után 1–gyel növeli. Legegyszerűbb, ha a lokális szimbólumot formális paraméternek tekinti, és a generált ? ? xxxx alakú azonosítót a megfelelő argumentumnak. Máté: Architektúrák 11. előadás 41

Feladatok Az ISA szint tervezési szempontjai. Milyen utasítás formákat ismer? Hogy viszonyulhat az utasítás hossza a szóhosszhoz? Mit jelent a műveleti kód kiterjesztése? Milyen címzési módszereket ismer? Mit jelent a postfix címzés? Hogy alakítható át egy infix formula postfix-é? Hogy értékelhető ki egy postfix formula? Milyen utasítás formái vannak a Pentium II-nek? Mi a SIB szerepe? Milyen utasítás formái voltak a SPARC gépnek? Milyen utasítás formái vannak a JVM-nek? Máté: Architektúrák 11. előadás 42

Feladatok Mi az orthogonalitási elv? Milyen utasítás formái lehetnek egy 3 címes gépnek? Milyen utasítás formái lehetnek egy 2 címes gépnek? Milyen utasítástípusokat ismer? Mi a különbség az Ultra. SPARC II ADD, ADDCC és ADDCCC utasításai között? Mi a szekvenciális vezérlés? Mi az eljárás? Mi a rekurzív eljárás? Mi az eljárás prológus? Mi az eljárás epilógus? Mi az eltolási rés? Mit nevezünk korutinnak (coroutine)? Máté: Architektúrák 11. előadás 43

Feladatok Mi az előre hivatkozási probléma? Milyen megoldásokat ismer az előre hivatkozási problémára? Mi a szimbólum tábla? Mi a literál? Mi az Op. Kód. Keresés feladata? Mi az Op. Kód. Táblában feladata? Hogy nézhet ki az Előkészítés eljárás? Hogy nézhet ki az Sor. Olvasás eljárás? Hogy dolgozható fel az INCLUDE utasítás? Milyen hibákat ismerhet föl az assembler? Milyen hibákat nem képes fölismerni az assembler? Máté: Architektúrák 11. előadás 44

Feladatok Mi a makró generátor feladata? Hogy ismerhetők föl a makró definíciók? Mi a makró generátor feladata makró definíció esetén? Hogy ismerhetők föl a makró hívások? Hogy illeszthető a program szövegéhez a makró kifejtés eredménye? Hogy működhet a makró kifejtés? Hogy történhet a LOCAL utasítás feldolgozása? Máté: Architektúrák 11. előadás 45