Architektúrák és operációs rendszerek: Processzorok

Balogh, Lőrentey: Architektúrák és operációs rendszerek – 2005–2006. második félév

Operációs rendszerek – Processzorok

2006. március 14 – 21.

Architektúrák és operációs rendszerek: Processzorok Balogh Ádám Lőrentey Károly Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar Algoritmusok és Alkalmazásaik Tanszék

Balogh, Lőrentey: Architektúrák és operációs rendszerek – 2005–2006. első félév

Tartalomjegyzék 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

A processzorok feladata Egy processzor felépítése, részei Utasításkészletek Címzési módok A processzor működése Processzorok fajtái Esettanulmány: Intel Pentium

2006. március 14 – 21.

Processzorok

2. oldal


A processzorok feladata • A processzorok a számítógép „aktív” elemei: – Számítási műveleteik segítségével adatokat változtatnak, dolgoznak fel – A feldolgozás módját, menetét utasítások sorozatával adhatjuk meg, így az adatfeldolgozás ezeknek az utasításoknak a végrehajtását jelentik • Vannak általános célú és speciális, célprocesszorok: – Központi egység: számítógépet vezérli, fő számításokat végzi: legalább egy darab minden számítógépben van belőle (CPU) – Grafikus feldolgozó egységek (GPU), hangfeldol‐ gozó egységek (MPU), be‐ és kivitelvezérlő egységek (IOPU) stb. 2006. március 14 – 21.

Processzorok

3. oldal

Balogh Ádám ([email protected]), Lőrentey Károly ([email protected])

1. oldal


2006. március 14 – 21.


A központi egység (CPU) • A központi memóriában található utasítások sorozatát hajtja végre • Az utasítások nagy része adatokkal végzendő műveletet ír elő: – Feldolgozandó adatokat beolvassa (központi memóriából, vagy egyéb egységekről) – Számítás közben részeredményeket maga is tárolhat – Végeredményeket kiírja (központi memóriába vagy egyéb egységekre)

• Többi utasítás: az utasítások feldolgozásának menetét befolyásolja: – Új utasítássorozat feldolgozását írja elő – Feldolgozás egyéb paramétereit változtatja 2006. március 14 – 21.

Processzorok

4. oldal



A processzorok feladata Egy processzor felépítése, részei Utasítások Címzési módok A processzor működése Processzorok fajtái Esettanulmány: Intel Pentium

2006. március 14 – 21.

Processzorok

5. oldal


Egy processzor részei • Egy modern processzor – egyebek mellett – a következő egységeket tartalmazza: – Vezérlő egység (CU) – Aritmetikai és logikai műveletet végző egység (ALU) – Lebegőpontos műveletet végző egység (FPU) – Központi tárat kezelő egység (MMU) – Regiszterek – Ezen részegységek közötti sínek

• Ezek mindegyike logikai kapukból és tranzisztorokból áll

2006. március 14 – 21.

Processzorok

6. oldal


2. oldal


2006. március 14 – 21.

Regiszterek (1)


• Három fajta lehetséges: – Általános célú regiszter – Általános célú regiszter speciális tulajdonsággal – Célregiszter

• Általános célú regiszterek (GPR) – Aritmetikai és logikai műveletek operandusai és eredményeit tárolják – Memóriacímeket is tárolhatnak – Lehetnek külön egész és lebegőpontos általános célú regiszterek

2006. március 14 – 21.

Processzorok

7. oldal

Regiszterek (2)


• Általános célú regiszterek speciális tulajdonsága: – Bizonyos címzési módok csak bizonyos regiszterek segítségével valósíthatók meg (hatékonyan) – Bizonyos utasítások csak bizonyos regiszterekkel képesek (hatékonyan) dolgozni

• Célregiszterek – Utasításmutató (IP): következő végrehajtandó utasítást tárolja – Feltételregiszter (FLAG): aritmetikai és logikai műveletek eredménye alapján változik – Egyéb célregiszterek: link regiszter, vezérlőregisz‐ terek, nyomkövető regiszterek, tesztregiszterek, vir‐ tuális memóriakezeléshez szükséges regiszterek stb. 2006. március 14 – 21.

Processzorok

8. oldal


A feltételregiszter mezői • Átvitel: művelet eredménye hosszabb egy bittel, mint ami beférne • Zérus: művelet eredménye nulla • Negatív: művelet eredménye negatív

2006. március 14 – 21.

Processzorok

9. oldal


3. oldal


2006. március 14 – 21.




2006. március 14 – 21.

Processzorok

10. oldal

Utasítások fajtái (1)


• Aritmetikai és logikai utasítások – Egész aritmetikai műveletek – Lebegőpontos aritmetikai műveletek – (Bitenkénti) logikai műveletek – Bittoló és ‐forgató műveletek – Összehasonlító műveletek

• Adatmozgató utasítások – Betöltő utasítások – Tároló utasítások – Belső mozgató utasítások – Veremműveletek

• Üres utasítás 2006. március 14 – 21.

Processzorok

11. oldal

Utasítások fajtái (2)


• Vezérlésátadó (ugró) utasítások – Feltétel nélküli vezérlésátadás – Feltételes vezérlésátadás (elágazás) – Szubrutinhívás

• Processzorvezérlő utasítások – Megállítás, felfüggesztés – Megszakítások kiszolgálása – Kölcsönös kizárás megvalósítása többprocesszoros rendszerekben

• Be‐ és kiviteli utasítások – Be‐ és kiviteli eszközök és a regiszterek közötti adatmozgatás

• Egyéb, különleges és összetett utasítások 2006. március 14 – 21.

Processzorok

12. oldal


4. oldal


2006. március 14 – 21.

Utasításformák (1)


• Három címes utasítás – Formája: művelet operandus1, operandus2, eredmény – Jelentése: végezd el a művelet műveletet operandus1 és operandus2 között, majd tárold az eredményt eredmény‐ben – Példa: ADD R1, R2, R3 (add össze az R1 és az R2 regiszterek tartalmát, és tárold az eredményt az R3 regiszterben)

• Két címes utasítás – Formája: művelet operandus1, operandus2 – Jelentése: végezd el a művelet műveletet operandus1 és operandus2 között, majd tárold az eredményt operandus1‐ben 2006. március 14 – 21.

Processzorok

13. oldal



• Két címes utasítás (folytatás) – Példa: ADD EAX, EBX (add hozzá az EBX regiszter tartalmát az EAX regiszter tartalmához, és tárold az eredményt az EAX regiszterben)

• Egy címes utasítás – Szükséges regiszter: akkumulátor: itt van az egyik operandus és ide kerül az eredmény is – Formája: művelet operandus – Jelentése: végezd el a művelet műveletet az akkumulátor és operandus között, majd tárold az eredményt az akkumulátorban – Példa: ADD $C024 2006. március 14 – 21.

Processzorok

14. oldal



• Cím nélküli utasítások – Az utasításnak úgynevezett implicit operandusa van, azaz az utasításban előre kódolva van a cím, amin a műveletet el kell végezni – Formája: művelet – Jelentése: végezd el a művelet műveletet (a műveletben meghatározott operanduson) – Példa: INX (növeld meg eggyel az X indexregiszter tartalmát)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

15. oldal


5. oldal


2006. március 14 – 21.

Aritmetikai és logikai utasítások (1)


• Két alapművelet: tipikusan ADD, SUB – Átviteli bittel együtt: ADC, SBC – Kivonás fordítva: SUBR

• Biteltolások (kettő hatványával való szorzás és osztás): SHL, SHR vagy SLL, SLR, SAL, SAR – Kitolt bitek az átviteli bitbe kerülnek – SLL és SLR: betolt bitek 0‐k (előjel nélküli vagy logikai eltolás) – SAL és SAR: balról betolt bit a bal szélső bit másolata, jobbról 0 (előjeles vagy aritmetikai eltolás)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

16. oldal

Aritmetikai és logikai utasítások (2)


• Bitforgatások: ROL, ROR – Olyan, mint a biteltolás, de az egyik oldalt kilépő bit a másikon belép – Átviteli biten keresztül: RCL, RCR

• Szorzás, osztás és maradékképzés (nem mindig létezik): MUL, DIV, MOD – Ügyelni kell rá, hogy a szorzás eredményének hossza kétszer olyan hosszú, mint az operandusoké – Szimmetria miatt az osztandó is kétszer olyan hosszú, mint az osztó – Kettő hatványaival való szorzásra és osztásra a biteltolásokat célszerű használni, mert gyorsabbak 2006. március 14 – 21.

Processzorok

17. oldal


Aritmetikai és logikai utasítások (3) • Logikai műveletek: NOT (negáció), AND (és), OR (megengedő vagy), XOR (kizáró vagy) – Bitenként kerülnek elvégzésre

• Összehasonlító műveletek: CMP és TEST – A CMP kivonást, a TEST logikai és műveletet végez, de nem tárolja az eredményt, csak a jelzőket állítja

• Eggyel való növelés és csökkentés: DEC és INC – Általában gyorsabb, mint egyet hozzáadni vagy kivonni

2006. március 14 – 21.

Processzorok

18. oldal


6. oldal


2006. március 14 – 21.


Hosszú számok kezelése • Operandusok és eredmény maximális mérete rögzített • Ha hosszabbra van szükség: – Összeadás és kivonás • Mint az „írásbeli” műveleteknél • Legalacsonyabb helyiértékű darabokat összeadjuk, maradék az átvitelbe kerül • Magasabb helyiértékeket úgy adjuk össze, hogy az átviteli bitet is hozzáadjuk

– Eltolások (eggyel) • Belépő oldalon levő darabnál eltolás, a darabból kilépő bit az átviteli bitbe kerül • Többi darabnál forgatás az átvitelen keresztül 2006. március 14 – 21.

Processzorok

19. oldal


Mi van, ha nincs szorzás? • Szorzás mindig elvégezhető összeadás segítségével • Biteltolásokkal gyorsítható: – Felbontjuk a jobboldali tagot kettő hatványainak összegére – Eltoljuk a baloldalit ezekkel a hatványokkal – Összeadjuk az eltolások eredményeit

2006. március 14 – 21.

Processzorok

20. oldal

Adatmozgató utasítások


• Három változat: – Betöltés (LD, MOV): adat másolása a központi tár egy rekeszéből egy regiszterbe, vagy a regiszter tartalmának közvetlen adattal való feltöltése – Tárolás (ST, MOV): adat másolása egy regiszterből a központi tár egy rekeszébe – Belső mozgatás (TR, MOV): adat másolása egy regiszterből egy másikba

• Általában nincs olyan utasítás, amelyik a központi tár két rekesze között másol adatot, vagy közvetlen adatot a központi tár egy rekeszébe másol 2006. március 14 – 21.

Processzorok

21. oldal


7. oldal


2006. március 14 – 21.

Vezérlésátadások


• Közvetlen vezérlésátadás: JMP, BA – Program végrehajtása a paraméterben megadott címtől folytatódik

• Feltételes vezérlésátadás: J**, B** – Csak akkor ugrik ha bizonyos feltételbitek értéke megfelel, különben folytatódik a következő utasítással a végrehajtás – Feltételek (példa) • Z illetve NZ: zérus bit alapján • S illetve NS: előjelbit alapján • C illetve NC: átviteli bit alapján

2006. március 14 – 21.

Processzorok

22. oldal

Vezérlésátadások


• Feltételes vezérlésátadás: J**, B** (folytatás) – Gyakran összehasonlító utasítás után használjuk: • E illetve NE: egyenlő illetve nem egyenlő, megegyezik a Z illetve NZ feltételekkel • A, AE, B, BE, NA, NAE, NB illetve NBE: nagyobb (=NS), nagyobb vagy egyenlő (NS vagy Z egyben), kisebb (S), kisebb vagy egyenlő (S vagy Z egyben), nem nagyobb (=BE), nem nagyobb vagy egyenlő (=B), nem kisebb (=AE), nem kisebb vagy egyenlő (=A)

• Szubrutinhívás: CALL, JSR – Feltétlen vezérlésátadás, de előtte eltárolja az utasítás címét a veremben vagy a link regiszterben – Párja: RET, visszatérés az eltárolt címre (szubrutin‐ hívó utasítás után folytatódik a végrehajtás) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

23. oldal


Be‐ és kiviteli utasítások • Gyakran nem külön utasítás, hanem az adatmozgató utasítások végzik a ki és bevitelt is – Ekkor bizonyos központi tárbeli címek nem a központi tárra, hanem a megadott ki‐ és beviteli eszközre vonatkoznak, a processzor számára azonban ez közömbös

• Külön betöltő és tároló utasítások be‐ és kiviteli eszközökhöz: IN és OUT – Utasítások paramétere egy speciális cím, ami hosszában is eltérhet a központi tárbeli címektől – Be‐ és kiviteli címek: portok

2006. március 14 – 21.

Processzorok

24. oldal


8. oldal


2006. március 14 – 21.




2006. március 14 – 21.

Processzorok

25. oldal


Egy utasítás felépítése • A 0, 1, 2 illetve 3 címes utasítások a elhelyezkedése a memóriában: műveleti kód műveleti kód 1. operandus műveleti kód 1. operandus

2. operandus

műveleti kód 1. operandus

2. operandus

eredmény

• Műveleti kód: szám, ami az utasítást azonosítja • Operandusok és eredmény? – Különböző megadási módjaik (címzési módok) – Aktuálisan használt módot a műveleti kód jelöli 2006. március 14 – 21.

Processzorok

26. oldal


Az implicit címzés • Műveleti kód meghatározza az operandusok és az eredmény helyét is • 0 címes utasításoknál az egyetlen, vagy 1 címes utasításoknál a második operandus illetve az eredmény • Példák – MOVSB (az ESI regiszterben található memóriacím tartalmát másold át az EDI regiszterban található memóriacímre) [i386] – MUL 5 (az EAX regiszter tartalmát szorozd meg 5‐ tel, és az eredmény magas helyiértékű bitjeit az EDX, alacsony helyiértékű bitjeit az EAX regiszterben tárolja) [i386] 2006. március 14 – 21.

Processzorok

27. oldal


9. oldal


2006. március 14 – 21.


Közvetlen címzés • Operandus maga az érték, amivel a műveletet el kell végezni • Az eredmény soha nem adható meg közvetlen címzéssel, hiszen így nem memóriabeli helyet adunk meg, hanem közvetlen értéket • Példák – ADD 5 (növeld meg 5‐tel az akkumulátor tartalmát) [M6510] – ADD 5, EAX (növeld meg 5‐tel az EAX regiszter tartalmát) [i386] – ADD R1, 5, R7 (adj 5‐öt az R1 regiszter tartalmához, és tárold az eredményt az R7 regiszterben) [PowerPC] 2006. március 14 – 21.

Processzorok

28. oldal


Regisztercímzés • Operandus a megadott regiszterben van, illetve az eredményt a megadott regiszterben kell elhelyezni • Példák – ADD EAX, EBX (növeld meg az EAX regiszter tartalmát az EBX regiszter tartalmával) [i386] – ADD R1, R7, R13 (add össze az R1 és az R7 regiszterek tartalmát, majd tárold az eredményt az R13 regiszterben) [PowerPC]

2006. március 14 – 21.

Processzorok

29. oldal


Abszolut címzés • Az operandus a memóriában helyezkedik el a megadott címen • Általában egyik operandus lehet csak abszolut cím, a többinek regiszternek kell lennie • Példa – ADD EAX, [C000] (növeld meg az EAX regiszter tartalmát a 49152. memóriacímtől kezdődően tárolt gépi szó tartalmával) [i386] – JMP C000H (folytasd a végrehajtást a 49152. memóriacímtől kezdődően tárolt utasítástól kezdve) [i386]

2006. március 14 – 21.

Processzorok

30. oldal


10. oldal


2006. március 14 – 21.


Indirekt címzés • Regiszter‐indirekt vagy memória‐indirekt • Operandusban megadott regiszter vagy memóriacím nem az értéket tartalmazza, hanem egy memóriacímet, ahol az érték található • Példák – ADD EAX, [EBX] (növeld meg az EAX regiszter tartalmát az EBX regiszterben található memóriacímtől kezdődően tárolt gépi szóval) [i386] – JMP [C000] (folytasd a végrehajtást a 49152. memóriacímen található memóriacímtől kezdődően tárolt utasítástól kezdve)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

31. oldal


Báziscímzés • Abszolut címzés kiegészítése: nem abszolut címet adunk meg, hanem egy explicit vagy implicit megadott báziscímtől való távolságot • Szükség van hozzá egy bázisregiszterre • Rekordmezők elérésére jól használható • Példa – ADD EAX, [EBX+1F] (növeld meg az EAX regiszter tartalmát az EBX regiszterben található címtől 31 bájtnyira kezdődően tárolt gépi szóval) [i386]

2006. március 14 – 21.

Processzorok

32. oldal


Indexelt címzés • A báziscímzéshez hasonló, de más a „filozófia” • A cím rögzített, az indexet regiszter tartalmazza • Tömbök indexeléséhez használhatjuk • Néha nem bájtonként, hanem gépi szavanként „lépkedhetünk” • Példa – ADD EAX, [C000+4*ESI] (növeld meg az EAX regiszter tartalmát a C000 memóriacímtől az ESI regiszter tartalmának négyszerese darab bájtnyira kezdődően tárolt gépi szóval) [i386]

2006. március 14 – 21.

Processzorok

33. oldal


11. oldal


2006. március 14 – 21.


Indexelt báziscímzés • Rekordban található tömb indexeléséhez • Példa: – ADD EAX, [EBX+1F+4*ESI] (növeld meg az EAX regiszter tartalmát az EBX regiszterben található címtől 31 plusz az ESI regiszter tartalmának négyszerese darab bájtnyira kezdődően tárolt gépi szóval) [i386] – A példában EBX tárolja a feldolgozás alatt álló rekord kezdőcímét, a rekordban feldolgozandó tömb a rekord kezdetétől számítva 1F címre kezdődik, és ott éppen az ESI által tartalmazott indexű elemet dolgozzuk fel, ahol az elemek mérete 4 byte 2006. március 14 – 21.

Processzorok

34. oldal




2006. március 14 – 21.

Processzorok

35. oldal


Az utasításciklus lépései Fetch • Utasítás beolvasása a memóriából • Utasítás dekódolása • Operandusok beolvasása a memóriába (ha vannak) Execute • Művelet elvégzése • Eredmény kiírása a memóriába (ha van) • Utasításmutató léptetése a következő utasításra (hacsak az utasítás nem vezérlésátadó utasítás volt)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

36. oldal


12. oldal


2006. március 14 – 21.


Utasítás beolvasása • Be kell olvasni az utasítás műveleti kódját és az operandusok címeit • Két lehetőség: – Rögzített hosszú utasítások: egyetlen gépi szó beolvasása – Változó hosszú utasítások: előbb meg kell határozni a műveleti kód alapján az utasítás hosszát • Előbb (részlegesen) értelmezni kell a műveleti kódot

• A beolvasást szokták „prefetch”‐nek is hívni

2006. március 14 – 21.

Processzorok

37. oldal


Utasítás dekódolása • Fel kell bontani az utasítást műveleti kódokra és operandusokra • Műveleti kód alapján meg kell határozni a használt címzési módokat

2006. március 14 – 21.

Processzorok

38. oldal


Operandusok beolvasása • Közvetlen címzéssel megadott utasításokat nem kell beolvasni, azok már benn vannak • Regiszterben tárolt operandusokat át kell vinni az ALU‐ba, vagy az FPU‐ba az utasítástól függően • Memóriában tárolt operandusokat onnan kell beolvasni • Összetett címzési módok esetén ki kell számítani a címet

2006. március 14 – 21.

Processzorok

39. oldal


13. oldal


2006. március 14 – 21.


Művelet elvégzése • Aritmetikai és logikai műveleteket az ALU vagy az FPU végzi • Adatmozgatásnál kimarad ez a fázis • Vezérlésátadás a CU feladata: az utasításmutatót kell átírnia a megfelelő címre, ha a feltétel teljesül • Processzorvezérlés szintén a CU feladata

2006. március 14 – 21.

Processzorok

40. oldal

Eredmény kiírása


• Operandusok beolvasásának fordítottja

2006. március 14 – 21.

Processzorok

41. oldal


Utasításmutató léptetése • Utasításmutatót a következő utasítás elejére kell állítani • Következő utasítás helye: – Rögzített hosszú utasításoknál a következő gépi szó Ö egy gépi szó méretével kell növelni az utasításmutatót – Változó hosszú utasításoknál a prefetch fázisban kiszámított hosszal kell növelni az utasításszámlálót

2006. március 14 – 21.

Processzorok

42. oldal


14. oldal


2006. március 14 – 21.


Huzalozott és mikroprogramozott utasítások • Egy utasítás végrehajtása történhet teljesen a hardver részéről – Gyorsabb végrehajtás – Bonyolultabb hardver

• Másik módszer: mikroprogramozás – Utasítás végrehajtása egy egyszerű program, úgynevezett mikroprogram végrehajtása, amely csak huzalozott utasításokból áll – Lassabb – Hardver egyszerűbb

• Általában az egyszerű utasítások huzalozottak, az összetettek mikrprogramozottak 2006. március 14 – 21.

Processzorok

43. oldal


Futószalag (pipeline) • Az utasításfeldolgozás lépései a processzor különböző részeit használják • Ötlet: futószalag technika – amíg a processzor az egyik utasítást végrehajtja, közben a következőnek az operandusait olvashatja • Összes fázis elvégezhető külön‐külön Utasításmutató 1 2 Eredmény 1 2 Művelet 1 2 Operandusok 1 2 Dekódolás 1 2 Beolvasás 1 2 Futószalag nélkül

2006. március 14 – 21.

1 1 2 1 2 3 1 2 3 4

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6

2 3 4 5 6 7

3 4 5 6 7 8

4 5 6 7 8 9

5 6 7 6 7 8 7 8 9 8 9 10 9 10 11 10 11 12

Futószalaggal

Processzorok

44. oldal


A futószalag feldolgozás problémái • Központi tár elérése lassabb, mint a regisztereké Ö ilyenkor az egész futószalagnak várnia kell – Lehetséges megoldás: csak az adatmozgató utasítások érjék el a központi tárat, a többi regiszterekből dolgozzon • Adatmozgatásnál nincs végrehajtási fázis • Ritkábban áll meg a futószalag

• Mikroprogramozott utasítások lassabbak – Lehetséges megoldás: minden utasítás legyen huzalozott

• Vezérlésátadások végrehajtásakor a futószalag eleje nem a megfelelő utasításokat dolgozza fel 2006. március 14 – 21.

Processzorok

45. oldal


15. oldal


2006. március 14 – 21.

Vezérlésátadások futószalag feldolgozása (1)


• Futószalag törlése – Vezérlésátadó utasításnál, ha a végrehajtás új címen folytatódik, töröljük a futószalag elejéről az elkezdett, de nem megfelelő utasításokat – Egyszerű, kézenfekvő megoldás – Gyakori vezérlésátadásnál (például ciklus) jelentősen lassítja a működést

2006. március 14 – 21.

Processzorok

46. oldal



• Késleltetett ugrás – Vezérlésátadó utasítást követő fix darabszámú utasítás mindenképpen végrehajtásra kerül, akár új címen folytatódik a végrehajtás, akár nem – Egyszerű hardver – Hatékony megoldás – Nehezen áttekinthető assembly kód – Új architektúrán, ha hosszabb a futószalag, újra kell írni vagy fordítani a programot – A vezérlésátadás feltétele nem függhet az őt követő utasításoktól

2006. március 14 – 21.

Processzorok

47. oldal



• Elágazó futószalag – Vezérlésátadó utasítás dekódolása után két ágon folytatódik a feldolgozás, amíg el nem dől, hogy megtörténik‐e a vezérlésátadás – Hatékony megoldás – Mivel több egymást követő vezérlésátadó utasítás lehet, így esetleg sokfelé kell ágazni, ami drága és bonyolult hardvert eredményezhet

2006. március 14 – 21.

Processzorok

48. oldal


16. oldal


2006. március 14 – 21.



• Programág‐előrejelzés – Processzor „megjósolja”, hogy be fog‐e következni a vezérlésátadás – Jóslás történhet • statisztika alapján (dinamikus) • műveleti kód egyik bitje alapján (statikus)

– Statikus módszernél különösen egyszerű hardver – Dinamikus módszer is könnyebben megvalósítható, mint az elágazó futószalag – Nagy valószínűséggel helyes a „jóslat” – Előfordulnak téves jóslatok, ilyenkor ki kell üríteni a futószalag elejét, ami lassulást okoz 2006. március 14 – 21.

Processzorok

49. oldal

Párhuzamos futószalagok


• Prefetch rész után a futószalag több felé ágazik – Több utasítás dekóder – Több ALU – Lebegőponto műveleteknek lehet külön futószalag, itt ALU helyett az FPU van: ekkor a prefetch‐nek kell eldöntenie, hogy melyik futószalagra kerüljön az utasítás

• Futószalagok párhuzamosan dolgozzák fel az utasításokat • Néha lehetséges átjárás is a futószalagok között

2006. március 14 – 21.

Processzorok

50. oldal


A párhuzamos futószalagok problémái • Nem párhuzamosíthatók olyan utasítások, amelyek közül az utóbbi bemenő paramétere az előbbi eredménye • Nem, vagy nehezen párhuzamosíthatók olyan utasítások, amelyek végrehajtási ideje jelentősen eltér • Prefetch‐nek ezeket is el kell tudnia dönteni – Bonyolult processzor

2006. március 14 – 21.

Processzorok

51. oldal


17. oldal


2006. március 14 – 21.


További gyorsítási lehetőségek • Processzor tartalmazhat több regiszterkészletet is, például minden futószalagnak sajátot – Át lehet nevezni regisztereket, hogy melyik legyen a „valódi” – Fenn kell tartani a konzisztenciát – Bonyolult

• Előfeldolgozó egység felbonthatja az utasításokat mikroutasításokra – Hasonló a mikroprogramozáshoz, de itt külön egység csinálja, minden utasításra egyformán – Futószalagra már csak egyszerű utasítások kerülnek 2006. március 14 – 21.

Processzorok

52. oldal


Kivételek (1) • Processzor nem mindig hajthat végre bármilyen utasítást – Érvénytelen utasítás – Utasítás végrehajtása nem lehetséges (nem létező központi tárbeli cím, nem létező periféria stb.) – Többfelhasználós gépen: • utasítás végrehajtása másik felhasználó adataihoz férne hozzá • utasítás végrehajtása másik felhasználó programjának működését befolyásolná • utasítás végrehajtása a gép működését olyan szinten változtatná meg, hogy az a többi felhasználót is érinti

– Processzor belső hibája (pl. túlmelegedés)

• Ilyenkor úgynevezett kivétel keletkezik 2006. március 14 – 21.

Processzorok

53. oldal

Kivételek (2)


• Kivétel: kivételes állapot – Utasítások végrehajtása felfüggesztésre kerül – Utasításmutató és a fontos regiszterek elmentésre kerülnek a központi tárban – Processzor egy – kivétel okától függően – meghatározott címen levő utasítássorozat (kivételkezelő rutin) végrehajtásába kezd – Ennek az utasítássorozatnak végrehajtása után a processzor a kivétel okától (típusától) függően különbözőképpen viselkedhet

• Kivételkezelő rutin kezdőcíme: – Táblázat tartalmazza – Különböző kiváltó okokhoz különböző rutinok 2006. március 14 – 21.

Processzorok

54. oldal


18. oldal


2006. március 14 – 21.

Kivételek (3)


• Három kivételtípus: – Hiba (fault): elmentett regiszterek és utasításmutató visszatöltődik, és a sikertelen utasítást újra megkísérli végrehajtani a processzor – Csapda (trap): elmentett regiszterek és utasításmutató visszatöltődik, de ez utóbbi tartalma növelésre kerül, hogy a következő utasításra mutasson, így a processzor kihagyja a kivételt okozó utasítást – Vetélés (abort): nem kerülnek visszatöltésre az elmentett adatok, mert az eredeti utasítások végrehajtása nem folytatható, ehelyett új utasítássorozat végrehajtása kezdődik 2006. március 14 – 21.

Processzorok

55. oldal


Megszakítások (1) • Processzornak van egy speciális (INTR) „lába” (vezeték), amire ha jel érkezik, megszakítás történik – Processzor a sínről leolvas egy számot, ami a megszakítást kiváltó egységet azonosítja – Utasítások végrehajtása felfüggesztésre kerül – Utasításmutató és a fontos regiszterek elmentésre kerülnek a központi tárban – Processzor egy – megszakítás kiváltójától függően – meghatározott címen levő utasítássorozat (megszakításkezelő rutin) végrehajtásába kezd – Megszakítás végén az elmentett regiszterek és utasításmutató visszatöltődnek, és az utasítások végrehajtása folytatódik 2006. március 14 – 21.

Processzorok

56. oldal

Megszakítások (2)


• Megszakításkezelő rutin kezdőcíme – Ugyanaz a táblázat tartalmazza, mint a kivételkezelőkét – Különböző kiváltó egységekhez különböző rutinok

• Megszakítás történhet utasítás végrehajtásának közepén is – A processzornak vagy be kell fejezni előbb ezt az utasítást – Vagy vissza kell térnie az utasítás végrehajtása előtti állapotra

• Megszakítás célja – Külső egység által kezdeményezett kommunikáció – Processzoron kívüli hibák 2006. március 14 – 21.

Processzorok

57. oldal


19. oldal


2006. március 14 – 21.

Megszakítások (3)


• Megszakítások egy része maszkolható – Miután a processzor leolvasta a sínről a megszakítás számát, megvizsgálja, hogy maszkolt‐e – Ha a megszakítás maszkolt, figyelmen kívül hagyja

• Nem minden megszakítás maszkolható: NMI, nem maszkolható megszakítás – Elvileg csak nagyon fontos események jelzését szolgálja (pl. ég a gép) – Gyakorlatban néha egyszerűbb dolgokhoz is felhasználják

2006. március 14 – 21.

Processzorok

58. oldal


Kivételek és megszakítások (1) • Gyakran keverik őket! • Megszakítás kívülről jön, kivétel a processzorban keletkezik • Megszakítás aszinkron (utasítás végrehajtása közben is bármikor felléphet), kivétel szinkron (utasítás végrehajtásának meghatározott fázisában keletkezik) • Megszakítás után a program mindig folytatható

2006. március 14 – 21.

Processzorok

59. oldal


Megszakítások és kivételek (2) • Megszakítás vagy kivétel kezelőrutinjában is történhet kivétel, illetve jöhet közben megszakítás is – Kezelőrutin elején a megszakításokat gyakran maszkolják – Ha nem maszkolt megszakítás vagy kivétel történik, a kezelőrutin is megszakad, majd folytatódik, ha folytatható

• Probléma: ha egy kivétel kezelőrutinjának egy utasítása ugyanazt a kivételt okozza – Végtelen ciklus – Kivétel‐szintek: másik táblázatban keresi a kezelő‐ rutint, ezért másik rutin kezeli az újabb kivételt 2006. március 14 – 21.

Processzorok

60. oldal


20. oldal


2006. március 14 – 21.


Megszakítások és kivételek (3) • Másik probléma: táblázatban érvénytelen cím szerepel megszakítás vagy kivétel kezelőrutinjához – Kettős hiba: speciális kivételkezelő rutin indul el – Kivétel szintek (ld. előbb): magasabb szintű táblázatbeli kezelőrutin indul el – Processzor leállása (shutdown)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

61. oldal


Védelmi szintek (1) • Ha egy gépen több felhasználó dolgozik, akkor meg kell védeni a programjaikat, hogy hozzáférhessenek másik felhasználók adataihoz, esetleg a gép működését veszélyeztessék • Operációs rendszernek viszont mindenhez hozzá kell férnie (már csak azért is, hogy meghatározza, melyik más program mihez férhet hozzá) • Operációs rendszer és a felhasználói programok két különböző módban, úgynevezett védelmi szinten működnek (rendszer és felhasználói) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

62. oldal

Védelmi szintek (2)


• Rendszer (kernel) szint – Minden (szabályos) utasítás végrehajtható – Minden regiszter elérhető – Központi tár minden területéhez hozzá lehet férni – Minden be‐ és kiviteli egységhez hozzá lehet férni

• Felhasználói (user) szint – Processzorvezérlő utasítások egy része nem hajtható végre (pl. megszakítások maszkolása) – Csak a felhasználói regiszterek érhetők el – Központi tárnak csak meghatározott része hozzáférhető – Csak meghatározott be‐ és kiviteli egységek hozzáférhetők 2006. március 14 – 21.

Processzorok

63. oldal


21. oldal


2006. március 14 – 21.


Védelmi szintek (3) • Megszakítások és kivételek kezelő rutinjai mindig rendszer védelmi szinten kerülnek végrehajtásra • Szintek közötti váltás – Felhasználói→rendszer: megszakítás, kivétel történik, vagy felhasználói program szubrutint hív az operációs rendszer területéről (rendszerhívás) – Rendszer→felhasználói: visszatérés megszakítás vagy kivétel kezelőjéből vagy rendszerhívásból

• Veszély: mi van, ha a felhasználói program az operációs rendszer szubrutinjának nem az elejét hívja meg (pl. valamilyen ellenőrzés átugrása) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

64. oldal

Védelmi szintek (4)


• Megoldás: kapuk alkalmazása – Táblázatban vannak felsorolva – Táblázat elemei az operációs rendszer szubrutinjainak kezdőcímei – Felhasználói program csak kaput hívhat, így nem ugorhat a szubrutin közepébe

• Rendszer védelmi szintről nem hívható felhasználói szintű szubrutin, mert az veszélyes lenne • Illeszkedő szintű szubrutinok: olyan szinten kerülnek végrehajtásra, amilyenről hívták őket 2006. március 14 – 21.

Processzorok

65. oldal




2006. március 14 – 21.

Processzorok

66. oldal


22. oldal


2006. március 14 – 21.


CISC processzorok • Complex Instruction Set, azaz összetett utasításkészlet • Ezek a „hagyományos” processzorok • Sok, gyakran összetett utasítások • Sokféle változatos címzési mód • Utasítások egy része mikroprogramozott • Változó utasításhossz • Utasítások nagy része elérheti a központi tárat is • Programozása assembly nyelven hatékony • Problémák: – Nehezen gyorsítható – Assemblyben programozni nehéz 2006. március 14 – 21.

Processzorok

67. oldal

RISC processzorok (1)


• Átgondolt tervezés: – Milyen kódot képes generálni egy magasszintű nyelv fordítóprogramja? • Csak egyszerű utasításokat használ – összetettebb műveleteket a magasszintű nyelven is algoritmusok valósítják meg, ezt a fordító nem képes felismerni, és egyetlen összetett utasítással helyettesíteni

• Egyszerű címzési módokat alkalmaz – szokásos műveletek: egyszerű változók, mutató‐műveletek, valamint tömbök elemeinek, rekordok mezőinek elérése – nehéz felismerni olyan összetett dolgokat, mint például egy rekord tömb mezője egyik elemének elérése

– Milyen utasításokat, címzési módokat lehet hatékonyan megvalósítani? • Lásd: eddig 2006. március 14 – 21.

Processzorok

68. oldal


RISC processzorok (2) • Reduced Instruction Set, azaz egyszerű utasításkészlet • Egyszerű utasítások • Eleinte kevés utasítás, ma már több, de továbbra is egyszerűek • Kevés, egyszerű címzési mód • Minden utasítás huzalozott • Csak adatmozgató utasítások érhetik el a memóriát: load and store modell • Rögzített utasításhossz • Minden utasítás egy órajel, kivéve a load and store műveletek 2006. március 14 – 21.

Processzorok

69. oldal


23. oldal


2006. március 14 – 21.


VLIW processzorok • A RISC sem elég egyszerű: utasítások párhuzamosítása bonyolult hardvert eredményez • Ötlet: Very Long Instruction Word, azaz nagyon hosszú utasításszó • Nem egy, hanem annyi utasítás kerül egyszerre beolvasásra, ahány futószalag van • Minden futószalag ennek a hosszú utasításszónak egy rögzített darabját hajtja végre • Párhuzamosítás problémáival így nem a processzor, hanem a fordítóprogram törődik 2006. március 14 – 21.

Processzorok

70. oldal


CISC‐RISC‐VLIW problémák • Probléma: CISC processzort a kompatibilitását megőrizve kell gyorsítani – Előfeldolgozó egység, ami mikroutasításokra bontja – RISC processzor, ami a mikroutasításokat dolgozza fel, melyek már RISC utasításkészletet alkotnak – A kettő természetesen fizikailag egybe van integrálva

• Probléma: VLIW processzor új típusában több futószalag lehet, mint az előzőben – Magas szintű nyelv fordítóprogramja ne gépi kódra, hanem köztes bájtkódra fordítson – Processzorhoz mellékelt szoftver végezze el a tényleges fordítást futtatás előtt közvetlenül – Így egy CISC‐kel való kompatibilitás is megőrizhető 2006. március 14 – 21.

Processzorok

71. oldal

Ismert processzorcsaládok (1)


• IBM 360/370 sorozat és utódainak processzora – 32 bites „nagyon” CISC – Régen vízhűtéses a nagy teljesítmény miatt

• DEC VAX – 32 bites, még az előzőnél is „CISC‐ebb”

• MOS6510 (Commodore 64) – 8 bites – Legfeljebb 1 címes utasítások

• Motorola 68000 – 32 bites CISC

2006. március 14 – 21.

Processzorok

72. oldal


24. oldal


2006. március 14 – 21.

Ismert processzorcsaládok (2)


• Motorola/IBM PowerPC – 32 vagy 64 bites RISC

• Sun SPARC (eredetileg: RISC I illetve RISC II) – 32 vagy 64 bites RISC

• MIPS – 32 vagy 64 bites „nagyon” RISC

• Intel Pentium és elődei/utódai – Következő témakörünk

2006. március 14 – 21.

Processzorok

73. oldal




2006. március 14 – 21.

Processzorok

74. oldal

Az Intel Pentium története (1)


• Család első processzora: 4004 (számológépekbe) – 12 bites címsín (4 kB címezhető terület) – 8 bites utasítások – 4 bites adatok (külön memóriában!) – 46 utasítás, 41 db 8 bit és 5 db 16 bit hosszú – 16 db 4 bites regiszter – 3 szintes belső szubrutin‐verem – 470 kHz órajel

• Utódja: 4040 – 60 utasítás – 24 regiszter – 7 szintes belső szubrutin‐verem – 13 bites címsín az utasításmemóriához 2006. március 14 – 21.

Processzorok

75. oldal


25. oldal


2006. március 14 – 21.



• Első 8 bites processzor: 8008 – Eredetileg terminálba tervezték – Egyetlen 8 bites sín – 8 bemeneti és 24 kimeneti port

• Utódja: 8080 – 16 bites cím és 8 bites adatbusz – 7 db 8 bites regiszter (ebből 6 párosítva, 3 db 16 bitesként is használható) – 16 bites utasítás‐ és 16 bites veremmutató – 256 be‐ és kiviteli port (tetszőleges irányban)

• Még újabb: 8085 – Jelzőbit‐regiszter – Megszakítások 2006. március 14 – 21.

Processzorok

76. oldal



• Első 16 bites processzor: 8086 – 16 bites cím‐ és adatsín – 6 B prefetch sor (kezdetleges futószalag technika) – 4 db 16 bites általános célú regiszter (használható 8 db 8 bitesként is) – 4 db mutatóregiszter (köztük a veremmutató) – 65536 db 8 bites be‐ és kiviteli port (használható párosával 16 bitesként) – 1 GB címtér ún. szegmensregiszterek segítségével

• IBM PC processzora: 8088 – Csak 8 bites külső adatsín (olcsóbb alaplap) – 4 B prefetch sor 2006. március 14 – 21.

Processzorok

77. oldal



• A 8086 és a 8088 utódai: 80186 és 80188 – Új utasítások, gyorsabb feldolgozás

• Később: 80286 és 80288 – Ezek közül a 80286 a sikeres – Védett mód: védelmi szintek és 16 MB címzés

• Legnagyobb újítás: 80386 (i386) – 32 bites sín (80386SX esetén csak belül, 80386DX esetén kívül is) – Fejlett memóriakezelési módszerek – Futószalag‐feldolgozás – Órajel: 25‐40 Mhz – Mobil gépekbe: 80386SL

• Konkurrencia: Am386 (kompatibilis) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

78. oldal


26. oldal


2006. március 14 – 21.



• Matematikai koprocesszorok – Lebegőpontos számításokhoz – Minden processzornak megfelelő koprocesszor: • 8086/8088 – 8087 • 80286 – 80287 • 80386 – 80387

• Processzor és koprocesszor egybeépítve: 80486 – Nem működő koprocesszor kikapcsolva: 80486SX, a teljes modell a 80486DX – 80486SX‐hez 80487 koprocesszor – Belső gyorsítótár, fejlettebb sínkezelés – Belső órajel nagyobb, mint a külső: SX2 és DX2 (kétszeres), később DX4 (háromszoros) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

79. oldal


Az Intel Pentium története (6) • A 80486 konkurrens gyártói: AMD, Cyrix, IBM, Texas Instruments, Chips and Technologies • Szuperskalár processzor: Pentium – Két futószalag: U (minden utasításra) és V (egyszerűbb utasításokra) – Lebegőpontos futószalag – 64 bites adatsín (gyorsabb memóriahozzáférés) – Külső órajel: 60 vagy 66 MHz (később akár 75‐83 is) – Belső órajel: 60‐233 MHz

• Multimédia utasítások: Pentium MMX – Egy utasítás egyszerre több adaton (SIMD) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

80. oldal



• A hatodik generáció: Pentium Pro – Mikroutasításokra bontó előfeldolgozó egység – Utasítások átrendezése – Spekulatív végrehajtás: elágazás két ágát párhuzamosan – Több futószalag – Többprocesszoros működés (maximum 4) – Másodszintű gyorsítótár a lapkán

• Pentium MMX + (Pentium Pro – ε) = Pentium II – Hasonlít a Pentium Pro‐hoz, de legfeljebb 2 processzor tehető egy gépbe – Másodszintű gyorsítótár a processzorkártyán 2006. március 14 – 21.

Processzorok

81. oldal


27. oldal


2006. március 14 – 21.


Az Intel Pentium története (8) • Multimédiás utasításkészlet háromdimenziós számításokhoz: Pentium III – Többi fejlesztés csak a teljesítményt érinti

• Nagyon magas órajel: Pentium 4 – Egy utasítás több órajelet vehet igénybe, mint Pentium III‐nál – Összességében mégis gyorsabb – Újabb modellek: két processzor szimulálása (hyper‐ threading)

• Mobil gépek Pentiuma: Pentium M • Kétmagos Pentium 4: Pentium D • Két mag és azokon belül is két processzor szimulálása: Pentium Extreme Edition 2006. március 14 – 21.

Processzorok

82. oldal



• Olcsó processzorok: Celeron – Pentium II, Pentium III, Pentium 4 és Pentium M processzorok olcsó megfelelője – Nincs vagy csak kevesebb másodszintű gyorsítótár – Csak egyprocesszoros működésre alkalmas

• Szerverek processzorai: Xeon – Pentium II, Pentium III, Pentium 4 és Pentium M processzorok megfelelője szerver gépekbe – Többprocesszoros működés (4‐8 processzor) – Több gyorsítótár

2006. március 14 – 21.

Processzorok

83. oldal



• Konkurrens kompatibilis processzorok: – AMD: K5, K6, K6‐2, K6‐III, Athlon, olcsó változatok: Duron és Sempron – NexGen: 5x86 – Cyrix: 6x86, 6x86MX

• 64 bites processzorok: – Intel: Itanium, Itanium 2 – 32 bites módban lassú, 64 bites módja teljesen más • Nem túl sikeres

– AMD: Athlon 64, Athlon 64 X2 (kétmagos), Turion 64 (mobil rendszerekbe), Opteron (szerverekbe) – 64 bites mód a 32 bites mód kiterjesztése 2006. március 14 – 21.

Processzorok

84. oldal


28. oldal


2006. március 14 – 21.

A Pentium blokkvázlata


64 bit

Kód‐ gyorsítótár

32 bit

Utasításág‐ előrejelzés

32 bit

256 bit

Prefetch‐ Buffer‐ek 256 bit

64 bit

256 bit

FPU

64‐bites sín‐csatoló

ALU

ALU 64 bit

32 bit

32 bit

Regiszter készlet 32 bit 64 bit

32 bit

Adat‐ gyorsítótár

2006. március 14 – 21.

Processzorok

85. oldal

A Pentium futószalagjai PREFETCH


Lebegőpontos

PREFETCH

Utasítás dekódolás

Utasítás dekódolás

Cím generálás

Cím generálás

Végre‐ hajtás

Végre‐ hajtás

Kiírás

Kiírás

Utasítás dekódolás Cím generálás Konverzió 80 bitre Végre‐ hajtás 1 Végre‐ hajtás 2 Kerekítés, regiszterbe írás

Egész

Hibadetektálás

2006. március 14 – 21.

Processzorok

86. oldal


A Pentium legfontosabb regiszterei EAXAH AX AL

CS

EBXBH BX BL

SS

ECXCH CX CL

DS

EDXDH DX DL

ES

Felhasználói szint

ESI

SI

FS

EDI

DI

GS

EBP

BP

Szegmensregiszterek

ESP

SP

Általános célú regiszterek

EIP

IP

Utasításmutató

EFLAG FLAG

Rendszer szint

GDTR IDTR LDTR LDTR Leírótábla‐regiszterek

Állapotregiszter

2006. március 14 – 21.

Processzorok

87. oldal


29. oldal


2006. március 14 – 21.

Az EFLAG regiszter (1)


0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

I VV I AV R N O OD I T S Z A P C 0 0 0 1 I I D CMF T P F F F F F F F F F P F L

• Rendszer szintű vezérlő‐kapcsolók – IOPL: Be‐ és kiviteli műveletek védelmi szintje – IF: Megszakítások engedélyezve – TF: Töréspont minden utasítás után

• Felhasználói szintű vezérlő‐kapcsolók – DF: füzérutasítások (speciális ciklus) iránya

• Felhasználói szintű jelzők – OF: túlcsordulás (előjeles műveletek eredményénél) – SF: előjel (eredmény negatív) – ZF: zéró (eredmény nulla) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

88. oldal

Az EFLAG regiszter (2)


0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

I VV I AV R N O OD I T S Z A P C I I 0 0 0 1 D CMF T P F F F F F F F F F P F L

• Felhasználói szintű jelzők (folytatás) – AF: félátvitel (átvitel az alsó félbájt utolsó bitjéről) • BCD aritmetikánál használatos

– PF: paritás (az eredmény alsó bájtjában páros számú 1 bit van) – CF: átvitel (a legfelső bitről átvitel)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

89. oldal

A Pentium rendszerregiszterei


CR0

PSW

DR0

CR2

DR1

CR3

DR2

CR4

DR3

Vezérlő regiszterek

DR6 DR7 Nyomkövető regiszterek

MSR0 MSR1 . . . Modell‐specifikus regiszterek

2006. március 14 – 21.

Processzorok

90. oldal


30. oldal


2006. március 14 – 21.


A Pentium lebegőpontos regiszterei ST(0)

SW

ST(1)

Állapotszó regiszter

ST(2)

TW

ST(3)

Toldalékszó regiszter

ST(4)

CW

ST(5)

Vezérlőszó regiszter

ST(6) 0

ST(7) Numerikus regiszterek (verem struktúrában címzendők)

FIP FOP FCS FOO 0 FOS

EP

Hibára mutató regiszterek FIP – EIP másolata FCS – CS másolata FOP – műveleti kód FOS – operandus szegmenscíme FOO – operandus ofszet‐címe

2006. március 14 – 21.

Processzorok

91. oldal


A Pentium címzési módjai (1) • Közvetlen címzés • Regisztercímzés • Abszolút címzés • Báziscímzés • Indexelt címzés • E fenti három tetszőleges kombinációja – Nem használható bármely regiszter bázisregiszterként illetve indexregiszterként

• Veremcímzések: ESP regiszter értéke csökken verembe írás előtt vagy veremből olvasás után (lefelé bővülő verem!) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

92. oldal

A Pentium címzési módjai (2)


• Regiszterek elérése: – Processzor 32 vagy 16 bites módban van – Módnak nem megfelelő regiszter elérése: méret prefix (plusz egy bájt és plusz egy órajel!) – 8 bites regiszter elérése: utasítások utolsó bitje 0

• Memória elérése: – Cím és operandus mérete is a processzor módjának felel meg – Felülbírálható egy‐egy prefix‐szel (plusz egy‐egy bájt és plusz egy‐egy órajel)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

93. oldal


31. oldal


2006. március 14 – 21.

A Pentium utasításformátuma


műv. kód 1 műv. kód 2

mod r/m

s‐i‐b

cím vagy adat

• Minden utasítás része a fenti formának • Egyszerű utasításoknál csak egy bájt a műv. kód • Összetett utasításoknál (pl. újabb utasítások, lebegőpontos utasítások) két bájt műv. kód van • A mod r/m a címzési módot határozza meg, és regisztercímzéseknél a regisztert • Az s‐i‐b bájt bázis‐ és indexelt címeknél használatos • A cím vagy adat mérete 8, 16 vagy 32 bit lehet 2006. március 14 – 21.

Processzorok

94. oldal


A Pentium utasításkészlete (1) • Egész aritmetikai utasítások: ADD, ADC, SUB, SBB, MUL, IMUL, DIV, IDIV, INC, DEC, NEG • Logikai utasítások: AND, OR, XOR, NOT • Bittoló és ‐forgató utasítások: SHL, SHLD, SHR, SHRD, SAL, SAR, RCL, RCR • Bitműveletek: BSF, BSR, BT, BTC, BTR, BTS • Összehasonlítások: CMP, TEST • BCD‐kezelő utasítások: AAA, AAD, AAM, AAS, DAA, DAS • Különböző méretű adatok konverziója: CWD, CDQ, CBW, CWDE 2006. március 14 – 21.

Processzorok

95. oldal


A Pentium utasításkészlete (2) • Adatmozgató utasítások: MOV, MOVSX, MOVZX, XCHG, LEA, LAHF, SAHF, IN, OUT • Verem utasítások: PUSH, POP, PUSHA, PUSHAD, PUSHF, PUSHFD, POPA, POPAD, POPF, POPFD • Vezérlésátadások: JMP, JCXZ, JECXZ, JA, JAE, JB, JBE, JC, JE, JG, JGE, JL, JLE, JNA, JNAE, JNB, JNBE, JNC, JNE, JNG, JNGE, JNL, JNLE, JNO, JNP, JNS, JNZ, JO, JP, JPE, JPO, JS, JZ, CALL, RET, INT, IRET • Üres utasítás: NOP 2006. március 14 – 21.

Processzorok

96. oldal


32. oldal


2006. március 14 – 21.


A Pentium utasításkészlete (3) • Ciklus‐utasítások: LOOP, LOOPZ, LOOPE, LOOPNZ, LOOPNE • Sztring‐utasítások: – Prefix: REP, REPE, REPZ, REPNE, REPNZ – Utasítás: MOVS, MOVSB, MOVSW, MOVSD, LODS, LODSB, LODSW, LODSD, STOS, STOSB, STOSW, STOSD, CMPS, CMPSB, CMPSW, CMPSD, SCAS, SCASB, SCASW, SCASD, INS, INSB, INSW, INSD, OUTS, OUTSB, OUTSW, OUTSD – Irány megadása: STD, CLD

• Összetett utasítások: BSWAP, XADD, CMPXCHG, CMPXCHG8B, XLAT, XLATB, ENTER, LEAVE 2006. március 14 – 21.

Processzorok

97. oldal


A Pentium utasításkészlete (4) • Összetett utasítások: BSWAP, XADD, CMPXCHG, CMPXCHG8B, XLAT, XLATB, ENTER, LEAVE • Jelzők beállítása: STC, CLC, CMC, SETA, SETAE, SETB, SETBE, SETC, SETE, SETG, SETGE, SETL, SETLE, SETNA, SETNAE, SETNB, SETNBE, SETNC, SETNE, SETNG, SETNGE, SETNL, SETNLE, SETNO, SETNP, SETNS, SETNZ, SETO, SETP, SETPE, SETPO, SETS, SETZ • Ellenőrzés: BOUND, INTO 2006. március 14 – 21.

Processzorok

98. oldal


A Pentium utasításkészlete (5) • Szegmenstöltés: LDS, LES, LFS, LGS, LSS, LSL • Rendszervezérlő utasítások: LGDT, LIDT, LLDT, LTR, LMSW, SGDT, SIDT, SLDT, STR, SMSW, RDMSR, WRMSR, CLI, STI, CLI, WAIT, HLT, ARPL, VERR, VERW, INVD, INVLPG, WBINVD, LOCK, RSM

2006. március 14 – 21.

Processzorok

99. oldal


33. oldal


2006. március 14 – 21.


Megszakítások a Pentiumon • Processzor INTR lábára jel érkezik, a buszról leolvasható egy szám, az ún. megszakításvektor • Kezelőrutinok címét az IDT tartalmazza • Az IDT 256 kapuból áll, minden vektor egy‐egy kaput azonosít • Az IDT elejére az IDTR rendszerregiszter mutat • Ezek a megszakítások maszkolhatók • Processzornak van NMI lába is, ez a megszakítás nem maszkolható • NMI esetén a buszon nincs megszakításvektor, az NMI vektora rögzített (02H) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

100. oldal


Kivételek a Pentiumon (1) • Kivételek kapui is az IDT‐ben vannak: 0‐31 kapuk fenntartottak erre a célra (kivéve a 2) • Három fajta kivétel: hiba, csapda, vetélés • Bizonyos kivételeknél hibakód kerül a verembe • Kivételek: – 00H – Osztáshiba (hiba) – 01H – Töréspont (TF vagy DR) (csapda vagy hiba) – 03H – Töréspont CCH műveleti kóddal (csapda) – 04H – INTO utasítás túlcsorduláskor (csapda) – 05H – BOUND utasítás határsértés (csapda) – 06H – Érvénytelen műveleti kód (hiba) 2006. március 14 – 21.

Processzorok

101. oldal

Kivételek a Pentiumon (2)


• Kivételek: – 07H – Matematikai koprocesszor nincs jelen (hiba) – 08H – Kettős hiba (hiba) – 09H – Koprocesszoroperandus határsértés (hiba) – 10H – Érvénytelen feladatleíró (hiba vagy csapda) – 11H – Nem jelenlevő szegmens (hiba) – 12H – Veremhiba (hiba) – 13H – Általános védelmi hiba (hiba) – 14H – Laphiba (hiba) – 16H – Numerikus hiba (hiba) – 17H – Illeszkedési hiba (hiba)

2006. március 14 – 21.

Processzorok

102. oldal


34. oldal


2006. március 14 – 21.


A Pentium védelmi szintjei (privilégiumszintek) • Négy szint 0‐3: 0 a rendszer, 3 a felhasználói • Rendszervezérlő utasítások csak a 0. szinten • Memóriaterületek védelmi szintje is különbözhet (ld. később) • Minden szinten külön verem • Rendszerhívás (alacsonyabb szintű rutin hívása magasabb szintről) – GDT‐ben kapuk, ezeket lehet CALL utasítással hívni • Kapuban adott számú paraméter másolása az alacsonyabb szintű verembe

– IDT‐ben kapuk, ezeket megszakítás szimulálásával (INT utasítás) lehet meghívni • Itt nem történik paramétermásolás 2006. március 14 – 21.

Processzorok

103. oldal

Példakódok (1)


• Regiszter nullázása: XOR

EAX, EAX

• Két szám összeadása: MOV ADD MOV

EAX, EGYIK EAX, MASIK EREDMENY, EAX

• 32 karakter hosszú láncok másolása: LEA LES MOV CLD REP

ESI, EGYIK EDI, MASIK ECX, 31 MOVSB

2006. március 14 – 21.

Processzorok

104. oldal

Példakódok (2)


• Összegzés: XOR MOV LEA CLD C1: LODSD ADD LOOP MOV

2006. március 14 – 21.

EDX, EDX ECX, HOSSZ ESI, VEKTOR

EDX, EAX C1 OSSZEG, EDX

Processzorok

105. oldal


35. oldal


2006. március 14 – 21.

Példakódok (3)


• Megszámlálás: XOR MOV LEA CLD C1: LODSD TEST JZ INC C2: LOOP MOV

EDX, EDX ECX, HOSSZ ESI, VEKTOR

EAX, FFFFFFFFH C2 EDX C1 OSSZEG, EDX

2006. március 14 – 21.

Processzorok

106. oldal

Példakódok (4)


• Lineáris keresés: MOV MOV LES CLD REPNE SUB MOV

EAX, KERESENDO ECX, HOSSZ EDI, VEKTOR SCASD EDI, VEKTOR EREDMENY, EDI

2006. március 14 – 21.

Processzorok

107. oldal

Példakódok (5)


• Maximumkeresés: MOV MOV LEA CLD C1: LODSD CMP JLE MOV MOV C2: LOOP MOV MOV 2006. március 14 – 21.

EDX, -80000000H ECX, HOSSZ ESI, VEKTOR

EAX, EDX C2 EDI, ESI EDX, EAX C1 HELY, EDI ERTEK, EDX Processzorok

108. oldal


36. oldal

Architektúrák és operációs rendszerek: Processzorok

Recommend Documents