Programowanie w asemblerze Wprowadzenie

advertisement
Programowanie w asemblerze
Wprowadzenie
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
17 stycznia 2017
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Motto:
“R7 is used by the processor as its program counter
(PC). It is recommended that R7 not be used as a
stack pointer.”
Źródło: PDP-11 04/34/45/55 processor handbook, Digital
Equipment Corporation, 1976.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Po co siegać
˛
do jezyka
˛
wewnetrznego?
˛
Dostep
˛ do rejestrów sprz˛etowych procesora i kart I/O.
Dostep
˛ do instrukcji, których nie zna kompilator.
Precyzyjne sterowanie wykonaniem kodu w miejscach
grożacych zakleszczeniem na poziomie sprz˛etu lub
wyścigami. Atomowe operacje test-and-set.
Naruszenie konwencji kompilatora pozwalajace
˛ na lepsza˛
optymalizacje˛ (przekazywanie parametrów, przydział
pamieci,
˛ wywołania finalne tail-recursion).
Dostep
˛ do nietypowych trybów pracy procesora,
wykonywanie kodu sprz˛etowego z pamieci
˛ ROM itp.
Ograniczenia sprz˛etowe na zasoby, np. programy
wbudowane (embedded).
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Czym sie˛ za to płaci?
Żmudny i mecz
˛ acy
˛ (zwłaszcza poczatkowo)
˛
proces
kodowania
Rewelacyjnie łatwo popełnić bład
˛
Błedy
˛ usuwa sie˛ bardzo cieżko
˛
Trudna konserwacja
Znikoma przenaszalność (ale zob. „kompatybilność”)
Dla typowych programów kod wygenerowany przez dobry
kompilator bedzie
˛
zazwyczaj lepszy
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Łagodzenie bólu
Pisać w asemblerze tylko te fragmenty, gdzie jest to
niezbedne.
˛
Kod w asemblerze obudowywać dobrze zdefiniowanych
interfejsami (procedury/funkcje).
Starać sie˛ w miare˛ możności generować kod w asemblerze
automatycznie: makra, reguły przepisywania, wzorce itp.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Ogladanie
˛
generowanego kodu
Użyć flagi -S w kompilatorze GCC, warto też dać
-fverbose-asm.
Szukać miejsc, które w oczywisty sposób można ulepszyć.
Najlepiej wcześniej użyć profilera, aby nie ulepszać na
próżno.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Architektura komputera — próba definicji
Abstrakcyjna struktura komputera, której znajomość jest
niezbedna
˛
programiście piszacemu
˛
w jezyku
˛
maszynowym (lub
zbliżonym).
Uwaga: struktura taka może mieć różne implementacje
sprz˛etowe, np. sterowanie układowe, sekwencjami taktujacymi
˛
lub mikroprogramowane.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Poziomy interfejsu maszyn wirtualnych
ISA: jezyk
˛
wewnetrzny
˛
(Instruction Set Architecture)
ABI (z systemem operacyjnym)
API (z bibliotekami)
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Podstawowe cechy architektury systemu komputerowego
interesujace
˛ programiste:
˛
długość słowa,
przestrzeń adresowa pamieci,
˛
sposoby adresacji,
repertuar instrukcji, czas wykonania (zależy od postaci
argumentów),
organizacja stosu,
system przerwań (liczba poziomów).
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Organizacja prostego komputera
Klasyczny model von Neumanna. Składowe: procesor,
pamieć,
˛ urzadzenia
˛
zewnetrzne.
˛
Magistrale (szyny), kanał
DMA.
Przechowywanie programów w pamieci,
˛ nieodróżnialność
instrukcji i danych. Instrukcja = kod operacji + argumenty.
Położenie argumentów: w rejestrach, w kodzie programu,
w innym miejscu w pamieci.
˛ Sposób kodowania, pola.
Komórki pamieci.
˛ Adresacja. Bit, bajt, słowo. Pojemność
pamieci.
˛ Cykl pracy pamieci.
˛
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Uproszczony schemat procesora
Rejestry uniwersalne i specjalne
Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU)
Dekoder instrukcji
Licznik rozkazów
Przesłania miedzyrejestrowe
˛
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Rejestry uniwersalne
Na Pentium (32 bity):
EAX (AX, AH|AL)
EBX (BX, BH|BL)
ECX (CX, CH|CL)
EDX (DX, DH|DL)
ESI (SI)
EDI (DI)
EBP (BP)
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Typowe rejestry specjalne
licznik rozkazów (EIC, niedostepny),
˛
rejestr instrukcji (IR, niedostepny),
˛
słowo stanu procesora (FLAGS),
wskaźnik stosu (ESP),
rejestr adresowy i buforowy pamieci
˛ (niedostepne),
˛
rejestry segmentowe (CS, DS, ES, FS, GS, SS).
Ponadto rejestr EBP najcz˛eściej używany jako wskaźnik ramki
na stosie.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Cykl rozkazowy
Typowy cykl rozkazowy = fazy wykonania instrukcji:
1
fetch — pobranie z pamieci
˛ instrukcji wskazanej licznikiem
rozkazów,
2
decode — rozpoznanie i ustawienie trybu argumentów
3
read — pobranie argumentów z pamieci
˛
4
execute — wykonanie
5
write-back — zapisanie wyniku
6
interrupt — sprawdzenie, czy nie było przerwania.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Magistrala (szyna)
Maksymalna cz˛estotliwość pracy ograniczona
wystepowaniem
˛
tzw. efektu bus skew — nierównomiernej
predkości
˛
przepływu sygnału na poszczególnych liniach.
Multipleksowanie adresów i danych oznacza dzielenie linii
szyny. Polega to na przesyłaniu po tych samych liniach w
różnych taktach cyklu szyny adresów i danych.
Dodatkowe linia sterujace,
˛
np. stany oczekiwania (wait
states) do wyrównywania szybkości pracy.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Arytmetyka binarna i reprezentacja danych
Liczby całkowite binarne bez znaku (naturalne).
Operacje arytmetyczne dla liczb całkowitych bez znaku
(nieujemnych)
Przeniesienie (carry ) i pożyczka (borrow).
Arytmetyka wielokrotnej precyzji.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Reprezentacja liczb całkowitych ze znakiem
Warianty:
znak-moduł
uzupełnieniowy do 1 (do zmniejszonej podstawy liczenia)
uzupełnieniowy do 2 (do podstawy liczenia), najwyższy bit
traktowany tak, jakby jego waga była ujemna.
z przesunieciem
˛
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Operacje arytmetyczne
Przepełnienie (overflow).
Reprezentacja w kodzie BCD, korekta przy dodawaniu.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Reprezentacja liczb rzeczywistych
Liczby zmiennopozycyjne, postać znak ∗ 2k ∗ f , gdzie
znak jest 1 lub -1
k jest całkowite
f jest ułamkiem
Normalizacja — dodatkowy warunek 1 > f >= 1/2,
pozwala jednoznacznie wyznaczyć k i f .
Dla zera f = 0.
Daje maksymalna˛ precyzje,
˛ ułatwia porównywanie
Operacje arytmetyczne, denormalizacja.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Optymalizacja procesora
Przetwarzanie potokowe
W przetwarzaniu potokowym (pipeline), dokonuje sie˛
równoległego przetwarzania różnych faz dla kolejnych
instrukcji.
Najwieksze
˛
przyśpieszenie osiaga
˛ sie˛ dla sekwencyjnych
ciagów
˛
instrukcji, komplikacje powstaja˛ podczas zmian
sterowania oraz przerwań.
Wymagane jest wtedy opróżnienie struktury potokowej.
Rozwiazanie
˛
z procesorów RISC: stosowanie delayed
branch (znane też jako delay slot) — skok nastepuje
˛
dopiero po wykonaniu nastepnej
˛
instrukcji.
Oczywiście kompilator musi generować odpowiedni kod
„przestawiajac”
˛ odpowiednio instrukcje (możliwe w 90%
przypadków).
W architekturze 80x86 wprowadzono przesłania
warunkowe.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Architektura superskalarna
Współczesne procesory (np. Pentium, PowerPC)
posiadaja˛ kilka równoległych potoków wraz z niezależnymi
modułami wykonawczymi.
Pozwala to równocześnie wykonywać kilka instrukcji.
Mówimy wtedy o architekturze superskalarnej.
Ciekawe sa˛ jej konsekwencje dla optymalizacji. Okazuje
sie,
˛ że cz˛esto warto (np. w Pentium) zastepować
˛
instrukcje
złożone ciagami
˛
instrukcji prostych, bo moga˛ one być
wykonywane równocześnie.
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Wydajność
Przykład:
Mamy program, którego wykonanie trwa 200 sekund, z
czego 160 sekund to operacje mnożenia.
Ile razy szybciej powinien działać układ mnożacy,
˛ aby
wykonanie było 5 razy krótsze?
Oznaczmy ten wzrost w:
160 sek.
200 sek.
=
+ (200 − 160) sek.
5
w
czyli
40 sek. =
160 sek.
+ 40 sek.
w
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Literatura
B.S. Chalk Organizacja i architektura komputerów
A. Skorupski Podstawy budowy i działania komputerów
A.S. Tanenbaum Structured Computer Organization
Zaaawansowane:
M.L. Schmitt Procesory Pentium
Zbigniew Jurkiewicz, Instytut Informatyki UW
Programowanie w asemblerze Wprowadzenie
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

66+6+6+

2 Cards basiek49

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

Create flashcards