Laitteistonläheinen ohjelmointi



Samankaltaiset tiedostot
Laitteistonläheinen ohjelmointi

Aktivaatiotietue. Yleiskäsite funktio (aliohjelma) -mekanismin tarvitsemille tiedoille. Kehysosoitin (%fp) missä tiedot ovat

Tiedon esitysmuodot. Luento 6 (verkkoluento 6) Lukujärjestelmät Kokonaisluvut, liukuluvut Merkit, merkkijonot Äänet, kuvat, muu tieto

LOAD R1, =2 Sijoitetaan rekisteriin R1 arvo 2. LOAD R1, 100

Käskykannat. Tietokoneen rakenne. Ch [Sta06] Operaatioista Operandeista Osoitustavoista Pentium / PowerPC. Luento 7-1

Ongelma(t): Miten mikro-ohjelmoitavaa tietokonetta voisi ohjelmoida kirjoittamatta binääristä (mikro)koodia? Voisiko samalla algoritmin esitystavalla

Luento 3 (verkkoluento 3) Ttk-91 konekielinen ohjelmointi. Ohjelman esitysmuoto Konekielinen ohjelmointi ttk-91:llä (Titokone, TitoTrainer)

Luento 7: Käskykannat Tietokoneen rakenne / 2006 / Teemu Kerola 9/25/2006

Teemun juustokakku Rekisterien, välimuistin, muistin, levymuistin ja magneettinauhan nopeudet suhteutettuna juuston hakuaikaan juustokakkua tehdessä?

Tietokoneen rakenne Käskysykli CPU suorittaa ohjelmaa konekielinen käsky kerrallaan

Tieto ja sen osoite (3) Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Osoitinmuuttujat. Tieto ja sen osoite (5)

Luento 2 (verkkoluento 2) Ttk-91 järjestelmä

Kertausluento luennoista 1-3 1

Jakso 12 Yhteenveto. Keskeiset asiat Teemu Kerola, K2000

Luento 2 (verkkoluento 2) Ttk-91 järjestelmä

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

SISÄLLYS sisällys 1 Tietokoneen toimintaperiaate ja käyttö 2 Tietokoneen historia 3 Tietokoneen rakenteen ja toiminnan perusteet

13. Loogiset operaatiot 13.1

Tietokoneen toiminta, K Tavoitteet (4)

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Tietokonearitmetiikka

Luento 6 Tiedon esitysmuodot. Tiedon esitys laitteistossa (4) Tiedon esitys (7) Suorittimen ymmärtämä tieto (9) Tietokoneen toiminta, K

Tietokoneen toiminta, Kevät Copyright Teemu Kerola Järjestelmän eri tasot Laitteiston nopeus

TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri, 3 op. Assembly ja konekieli

Luento 6 Tiedon esitysmuodot

Konekielinen ohjelmointi

1. Keskusyksikön rakenne

Tietokoneen rakenne: Harjoitustyö. Motorola MC prosessori

Jakso 5 Suoritin ja väylä

Suoritin. Luento 5 Suoritin ja väylä. TTK-91 muistin rakenne. TTK-91 suorittimen rakenne

Jakso 5 Suoritin ja väylä

Tietokonearitmetiikka

Kertausluento 1 (lu01, lu02, lu03) Tietokonejärjestelmän rakenne ttk-91 ja sillä ohjelmointi

13. Loogiset operaatiot 13.1

Suoritin. Jakso 5 Suoritin ja väylä. TTK-91 muistin rakenne. TTK-91 suorittimen rakenne

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

ANSI/IEEE Std

Jakso 5 Suoritin ja väylä. Suorittimen rakenne Väylän rakenne Käskyjen suoritussykli Poikkeukset ja keskeytykset TTK-91:n ja KOKSI:n rakenne

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Tiedon esitysmuodot. Luento 6 (verkkoluento 6) Lukujärjestelmät Kokonaisluvut, liukuluvut Merkit, merkkijonot Äänet, kuvat, muu tieto

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori. Miksi konekieltä? Tietokone TTK-91. Miksi ei oikeaa konekieltä?

Jakso 2 TTK-91-tietokone ja sen KOKSI-simulaattori

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

Luento 6 Tiedon esitysmuodot

Tiedon tyypit Kommunikointi ihmisen kanssa. Luento 6 Tiedon esitysmuodot. Tiedon esitys laitteistossa (4) Suorittimen ymmärtämä tieto (9)

Miksi konekieltä? Jakso 2 TTK-91-tietokone ja sen KOKSI-simulaattori. Tietokone TTK-91. Miksi ei oikeaa konekieltä?

Jakso 6 Tiedon esitysmuodot

TKT-3201 Tietokonearkkitehtuuri 2

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

Tietokonearitmetiikka

Tietokoneen toiminta Copyright Teemu Kerola Tyypit Parametrit Aktivointitietue (AT) AT-pino Rekursio

Luento 4 Aliohjelmien toteutus

Kertausluento 2 (lu04, lu05, lu06) Aliohjelmien toteutus Suoritin, väylä, tiedon esitys

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

Tietokonearitmetiikka

TIES325 Tietokonejärjestelmä. Jani Kurhinen Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos

Java-kielen perusteet

Suoritin. Luento 5 Suoritin ja väylä. TTK-91 suorittimen rakenne (1) TTK-91 muistin rakenne. Käskyjen nouto- ja suoritussykli (5)

Sisältöä. Tietokoneen rakenne. Ch 1 - Ch 8 [Sta06] Valikoituja paloja TITO-kurssista. Tietokonejärjestelmä

Luento 5 Suoritin ja väylä

Luento 6 Tiedon esitysmuodot. Lukujärjestelmät Kokonaisluvut Liukuluvut Merkit, merkkijonot Totuusarvot Kuvat, äänet, hajut(?)

Luento 4 (verkkoluento 4) Aliohjelmien toteutus

Luento 6 Tiedon esitysmuodot

Luento 6 Tiedon esitysmuodot

Luento 6 Tiedon esitysmuodot. Tiedon esitys laitteistossa (3)

Luento 1 (verkkoluento 1) Tietokonejärjestelmä

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne. Järjestelmän eri tasot Laitteiston nopeus

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne

Jakso 2 TTK-91 -tietokone ja sen KOKSI -simulaattori

Jakso 2 TTK-91 -tietokone ja sen KOKSI -simulaattori

TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri, 3 op. Assembly ja konekieli

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen simulaattori. Miksi konekieltä? Tietokone TTK-91. Miksi ei oikeaa konekieltä? TTK-91 (1) TTK-91 laitteisto

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne. Järjestelmän eri tasot Laitteiston nopeus

Luento 5 (verkkoluento 5) Suoritin ja väylä

Sulautettujen järjestelmien skaala on niin laaja, että on erittäin vaikea antaa yleispätevää kuvausta siitä millainen on sulautettu järjestelmä.

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 5 Suoritin ja väylä

Miksi konekieltä? Jakso 2 TTK-91-tietokone ja sen KOKSI-simulaattori. Tietokone TTK-91. Miksi ei oikeaa konekieltä? TTK-91: tietotyypit (2)

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Luento 4 (verkkoluento 4) Aliohjelmien toteutus

Miksi konekieltä? Jakso 2 TTK-91-tietokone ja sen KOKSI-simulaattori. Tietokone TTK-91. Miksi ei oikeaa konekieltä? TTK-91: rekisterit

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Jakso 2 TTK-91-tietokone ja sen KOKSI-simulaattori

Luento 6 Tiedon esitysmuodot

Luento 6 Tiedon esitysmuodot. Tiedon esitys laitteistossa (3)

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Tiedon sijainti suoritusaikana (3) Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Miten tietoon viitataan? (4)

TIES325 Tietokonejärjestelmä. Jani Kurhinen Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos

Tietokonejärjestelmä. Tietokoneen rakenne. Ch 1 - Ch 8 [Sta06] Valikoituja paloja. TITO-kurssista. John von Neumann ja EDVAC, 1949.

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Tietotyypit ja operaattorit

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Java-kielen perusteet

Tiedon sijainti suoritusaikana. Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 5 (verkkoluento 5) Suoritin ja väylä

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Transkriptio:

Laitteistonläheinen ohjelmointi 4 op Luennoija: Pertti Lehtinen Luennot: Perjantai 12-14 TB104 Esitiedot: Mikroprosessorit Perusohjelmointikurssi Kurssin osat: luennot, harjoitustyö, tentti Materiaali: luentomateriaali

Kurssin tavoite Oppia ymmärtämään konekielisiä ohjelmia Mitä on ohjelma prosessorin tasolla Miten ohjelma käyttää koneen resursseja Saada käsitys ohjelman luontiprosessista Työkalut ja niiden tehtävät Tutustua lausekielten perusrakenteiden toteutukseen konekielitasolla Mitä kääntäjä tuottaa?

Miksi? Konekielinen ohjelmointi, kääntäjän toteuttaminen Oleellista jos teet Laiteohjainta Käyttöjärjestelmää Sulautettua järjestelmää Suunnittelet suoritinta

Luennot Prosessoriarkkitehtuurit Käskyt, osoitusmuodot, tietotyypit Kääntäminen Perusrakenteet, aliohjelmat, tietotyypit Muistin käyttö Yhdistely, kirjastot, ohjelman sijoittelu, dynaaminen muisti Prosessorin kontrolli Cache, MMU, kontekstin vaihto, yms. Oheislaitteet ja väylän ohjaus Muuta Erikoiskäskyt, Virtualisointi, jne...

Prosessoriarkkitehtuuri Perinteisesti fetch-decode-execute Käskyt noudetaan ja suoritetaan järjestyksessä Ohjelmoijan perinteinen ajattelu, yhä voimissaan

Von-Neumann arkkitehtuuri CPU käsittelee muistissa olevan ohjelman käskyjen mukaisesti muistissa oleva dataa Yhteinen koodi- ja data muisti Von Neumann -pullonkaula --> muistiväylä Harvard-arkkitehtuuri Erillinen ohjelma- ja datamuisti (väylä) Muita vaihtoehtoja VLIW, TTA, SIMD

Prosessorin rakenne Toimintayksiköitä Laskentayksiköitä, yksi tai useampia Kokonaislukuyksiköt Liukuluku yksiköt Muut? (SSE, MMX, VIS,...) Ohjausyksikkö Hyppy-yksiköt Muistiyksiköt Muistiviittaukset (data), käskynnouto

Nykypäivän arkkitehtuurit Erilliset cachet, yhteinen keskusmuisti Siis sovellettu harvard arkkitehtuuri Liukuhihnoitettu suoritus Viivästetty lataus, viivästetty hyppy, scoreboarding Rinnakkaiset laskentayksiköt out-of-order-execution

Prosessori arkkitehtuuri Sananleveys Käskykoodi, data Rekisterien määrä Akku koneet vs. rekisterikoneet Operandien määrä Nolla, yksi, kaksi, kolme Osoitustavat Perinteinen vs. load-store

Prosessori arkkitehtuuri Käskykanta Mitä sillä voi tehdä? Tietotyypit Millä se voi operoida? Osoitusmuodot Missä ne voivat olla?

Käskykanta Aritmeettisloogiset operaatiot Add, sub, neg, mul, div And, or, xor, complement,... Tst, cmp Siirtokäskyt Move, load, store kontrollinsiirto Bra, jmp, call, ret

Aritmetiikka Ainakin kokonaisluvuille Add, sub vähintään Nykyään myös mul ja div Liukulukuaritmetiikka Fadd, fsub, fmul, fdiv Joskus myös sin, cos,...

Loogiset operaatiot Peruslogiikka And, or ja complement usein myös xor Loogiset käskyt ovat bitwise käskyjä eivät siis totuusarvoisia

Loogiset operaatiot Peruslogiikka And, or ja complement usein myös xor Loogiset käskyt ovat bitwise käskyjä eivät siis totuusarvoisia

vertailut Vertailukäskyt Yleensä ainakin cmp, (compare) Joskus myös tst, (test, eli vertaa nollaan) Liittyvät ehdollisiin hyppyihin Asettavat tilaliput tai jonkun tilatiedon

Siirtokäskyt Rekisterisiirrot Move Muistista nouto Load Muistiin talletus Store

Kontrollin siirto Ehdottomat hypyt Jmp, bra Ehdolliset hypyt Beq, bne,... Aliohjelmakutsu ja -paluu Call, ret Palvelukutsut ja virhekäsittelyt Trap, svc, syscall,...

Ehdolliset hypyt Tilalippujen perusteella (IA-32, MC680X0, Sparc) Liput asettuvat Vain vertailukäskyillä (Sparc) Vertailu- ja aritmeettisloogisillakäskyilla (IA-32) Vertailu-, aritmeettisloogisilla- ja siirtokäskyillä (MC680x0) Lippurekisterien sisällön perusteella (PowerPC) Yleisrekisterien sisällön perusteella (MC88000, Alpha)

Tilaliput Zero Ilmaisee, onko tulos nolla Sign Tuloksen etumerkki Carry, overflow Etumerkitön ylivuoto, etumerkillinen ylivuoto, lainaus Joskus myös muita lippuja

Lipuista carry/borrow/extend Laajennetussa aritmetiikassa tarpeellinen Add-with-carry, add-with-extend,... Tavallinen aritmetiikka etumerkillistä Osoitteilla laskenta etumerkitöntä Etumerkin käsittely näkyy vain vertailtaessa ja kerto/jakolaskussa

Siirtokäskyt Siirrot rekisterien välillä Lataukset muistista/muistiin Oleellisen tärkeitä nykyään käytetyissä load-store arkkitehtuureissa

Aliohjelmakutsu Hyppy paluuosoitteen talletuksella Talletus (laitteisto)pinoon (perinteisesti) IA-32, MC680X0,... Automaattisesti mahdollistaa sisäkkäiset kutsut Talletus yleisrekisteriin (RISC-arkkitehtuurit) Sparc, MC88000,... Ohjelmallinen pino tarpeen sisäkkäisten kutsujen mahdollistamiseksi Paluu erikoiskäskyllä tai epäsuoralla hypyllä

Muut käskyt Cachen ohjaus Mmun ohjaus Keskeytysten hallinta käskykantalaajennukset

Millaisia operandeja Kokonaisluvut Liukuluvut Kiinteän pilkun luvut Totuusarvot merkkijonot Pixelit, bitit, yms

kokonaisluvut 8, 16, 32 vai 64-bittiä? Etumerkillinen vai etumerkitön? Kahden komplementtiesitys käytössä

liukuluvut 32-bittinen (float) Etumerkki, 8-bittinen exponentti, 23-bittinen mantissa Normalisoitu esitys, ns. hidden bitti käytössä 64-bittinen (double) Etumerkki, 11-bittinen exponentti, 52-bittinen mantissa Normalisoitu esitys, ns, Hidden-bitti käytössä 80-bittinen (extended) Liukuluku yksikön väliaikainen esitysmuoto, käytössä sisäisesti

Normalisoitu liukuluku Ensin etumerkki Sitten exponentti, sitten mantissa Käytetty exponentti valitaan niin, että ensimmäinen mantissan merkitsevä bitti on yksi, -> tämä ns. hidden bit voidaan jättää pois Exponentti skaalataan 127:llä, välille 0-255 (32- bittiset), 1023:lla välille0-2047 (64-bittiset)

Kiinteänpilkun luvut Kokonaisluvuon tulkinta Sovitaan lukuun pilkun paikka Operoidaan kuten kokonaisluvuilla Korjataan kerto- ja jakolaskujen yhteydessä Käytetään liukulukujen sijasta, jos lukualue riittää Esitä eurot sentteinä (kaksi desimaalia) Fraktaaleissa mandelbrot tarvii kokonaisosaa vain 2.0:n asti

totuusarvot Testit palauttavat tiedon tilalipuissa Yleensä ei sidottu arkkitehtuurissa Totuusarvon esitys ohjelmoijan valittavissa C-kielen valinta 0 <=> false, 1 <=> true, kun luodaan 0 <=> false, ei 0 <=> true, kun testataan

Merkkijonot Jotkut arkkitehtuurit sisältävät merkkijonojen käsittelyyn suunniteltuja käskyjä Merkkijono <=> tavujono, lohko Harvinaisia ja usein vähän käytettyjä

Muut tietotyypit Lisäksi voi tavata operaatioita muilla tietotyypeillä Bitti-operaatioita Pixelit 32-bittinen (8+8+8+8 bittiä)rgb. BCD-luvut

Missä operandit ovat Implisiittisiä vai explisiittisiä? 0, 1, 2 tai 3-operandi arkkitehtuuri Rekistereissä vai muistissa? Hierarkkinen muisti Rekisteri (cachet) keskusmuisti - (massamuisti) Load-store -arkkitehtuuri

Missä operandit ovat? 0-operandi arkkitehtuuri Pinoarkkitehtuuri Käskyssä kerrotaan vain operaatio, operandit implisiittisiä, samoin tuloksen sijoitus Käytetty joissakin vanhemmissa arkkitehtuureissa Tavanomainen virtuaalikoneena, koodingenerointi helppoa

esimerkki Laskemme e = a/b + c*d load a -- instr/address 3 iar load b -- instr/address 3 iar div -- instr 4 irrw load c -- instr/address 3 iar load d -- instr/address 3 iar mul -- instr 4 irrw add -- instr 4 irrw store e -- inst/address 3 iaw Kaikkiaan 13 sanaa, 13+10+4 jaksoa

Missä operandit ovat 1-operandi arkkitehtuuri Käskyssä kerrotaan yksi operandi, toinen operandi ja tuloksen sijainti implisiittisiä ns. akkukone Useimmat 8-bittiset arkkitehtuurit (Z80, 6502, MC6800, 8085, myös 8086 )

esimerkki Laskemme e = a/b + c*d ld a -- inst/adr 3 iar div b -- inst/adr 3 iar st tmp -- inst/adr 3 iaw ld c -- inst/adr 3 iar mul d -- inst/adr 3 iar add tmp -- inst/adr 3 iar st e -- inst/adr 3 iaw Kaikkiaan 21 sanaa, 14+5+2 jaksoa

Missä operandit ovat 2-operandi arkkitehtuuri Käsky spesifioi kaksi operandia, joista toinen tulkitaan myös tuloksen sijaintipaikaksi Ns yleisrekisterikone mm. MC680x0, ia-32 tällaisia Operandit rekister(e)issä tai muistissa

esimerkki Laskemme e = a/b + c*d mov a,r0 --inst/adr 3 iaar div b,r0 -- inst/adr 3 iaar mov c,r1 --inst/adr 3 iaar mul d,r1 -- inst/adr 3 iaar add R1,R0 --inst 1 i mov R0,e --inst/adr 3 iaaw Kaikkiaan 16 sanaa, 16+4+1 jaksoa

Missä operandit ovat 3-operandikone Käsky spesifioi erikseen kaksi lähdeoperandia ja kohdeoperandin Yleinen RISC-arkkitehtuureissa Operandit yleensä rekisterioperandeja (tai vakioita)

esimerkki Laskemme e = a/b + c*d ld R7,#base -- inst 2 ii ld R0,a[R7] -- inst 1 ir ld R1,b[R7] -- inst 1 ir div R0,R1,R2 -- inst 1 i ld R2,c[R7] -- inst 1 ir ld R3,d[R7] -- inst 1 ir mul R2,R3,R4 -- inst 1 i add R4,R2,R5 -- inst 1 i st R5,e [R7] -- inst 1 iw Kaikkiaan 8 sanaa, 10+4+1 jaksoa

Mistä rakenne määräytyy Suunnittelijan valinnat Käskykoodin pituus (8, 16, 32, tai muuta) Kiinteä pituus, vaihtuva pituus Rekisterien määrä (4, 8, 16, 32, 256)?

Muistiosoitus Joko suoraan operandissa Tai erikseen load- ja store käskyissä Perinteiset arkkitehtuurit (ia-32, mc680x0) sallivat operandit suoraan muistiin Uudet arkkitehtuurit (sparc, arm, powerpc) load-store -arkkitehtuureita, joissa muistiviittaukset vain load- ja storekäskyillä

Osoitusmuodot Suorat osoitukset Absoluuttinen osoite Suhteellinen osoite rekisteri Hyppykäskyissä yleisiä Jmp, bra, call, ret

Osoitusmuodot Epäsuorat osoitukset Osoite rekisterissä Vakio indeksi + kantaosoite rekisterissä Indeksi rekisterissä + kantaosoite rekisterissä Sparc-arkkitehtuurissa vain nämä dataa osoitettaessa Joskus myös monimutkaisempia Vakio+indeksirekisteri+kantarekisteri Joskus myös moninkertaista epäsuoruutta

Osoitusmuodot Autoinkrementointi Rekisteriä kasvatetaan viittauksen yhteydessä Autodekrementointi Rekisteriä vähennetään viittauksen yhteydessä Implisiittisesti pinon yhteydessä (ia-32) Explisiittisesti (mc680x0, pdp-11,... ) Writeback indeksoitaessa (arm)