HARDVERKÖZELI PROGRAMOZÁS1

HARDVERKÖZELI PROGRAMOZÁS 1 Dr. Varga Imre Debreceni Egyetem Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék 2015.05.11

Követelmények Gyakorlat (aláírás) Óralátogatás (maximum hiányzás: 3) C programozási beugró (1 javítási lehetőség) 2 gyakorlati ZH • Mindegyik legalább 50% • A 2 ZH átlaga legalább 60%

1 javítási lehetőség (teljes féléves anyag)

Elmélet (kollokvium) Írásbeli vizsga (gyakorlati aláírás esetén) Jegy: 75% elméleti vizsga + 25% gyakorlati eredmény Hardverközeli programozás 1

2

Mérnökinformatikus képzés Döntéstámogató rendszerek absztakció, logikai szint

Mesterséges intelligencia alapjai Bevezetés a LabView programozásba Magas szintű programozási nyelvek 1-2 Hardverközeli programozás 1-2 Digitális technika Elektronika 1-2 Fizika 1-2 Hardverközeli programozás 1

3

Tematika Számábrázolás, adattípus implementáció Digitális elektronika alapjai CPU felépítése és működése Assembly programozás Magas szint leképezése alacsonyra

Modern processzorok A programozás operációsrendszerhez kapcsolódó aspektusai Konkrét processzor architektúrák Utasításkészletük, programozásuk Hardverközeli programozás 1

4

A tárgy célja Összeköttetés teremtése Az ’absztrakt’ és az ’alapozó’ ismeretek között A ‚program’ és az ‚elektronika’ között

Hardver ismeretek átadása Magas szintű programozás mélyebb megértése Hatékonyabb programozás

Az assembly programozás bemutatása Szemléletformálás Átfogó kép kialakítása a számítógép rendszerekről Hardverközeli programozás 1

5

Számábrázolás, adattípusok Fixpontos számábrázolás Lebegőpontos számábrázolás A C nyelv típusainak reprezentációja

Mi az outputja a programnak?

Hardverközeli programozás 1

7

Adatszervezés Adategységek Bit: két állapot (0, 1) Nibble (fél byte): 4 bit Byte: 8 bit Félszó: 16 bit Szó: (többnyire) 32 bit Dupla szó: 64 bit 18.446.744.073.709.551.616

4.294.967.296


65.536

256 16 2

8

Adattípus Megadás Reprezentáció Tartomány Műveletek A C nyelv aritmetikai (egyszerű) típusai [unsigned|signed] char [unsigned|signed] [short|long|long long*] int float [long*] double *ISO C99 Hardverközeli programozás 1

9

Fixpontos számábrázolás Egész értékek reprezentálása Előjel nélküli eset ábrázolandó szám kettes számrendszerben adott számú biten

Példa (1 byte esetén) 4110 1010012 0 0 1 0 1 0 0 1 N biten ábrázolható legkisebb szám: 0 Legnagyobb szám: 2N-1 Hardverközeli programozás 1

10

Fixpontos számábrázolás Előjeles eset Nem negatív érték esetén: előjel nélküli logika Negatív érték esetén: kettes komplemens • Bitek invertálása (egyes komplemens) • A kapott érték növelése 1-gyel

Példa (1 byte esetén) -4110 -1010012 N biten ábrázolható

1 1 0 1 0 1 1 1 meghatározza az előjelet

legkisebb szám: -(2N-1) Legnagyobb szám: 2N-1-1 Hardverközeli programozás 1

11

Aritmetikai túlcsordulás Két féle hibalehetőség Előjel nélkül: több bit lenne szükséges (carry) 01011010 90 +11110001 +241 101001011 331 >255 Előjeles: nem várt előjelváltás (overflow) 01011010 90 +01110001 +113 11001011 -53 ≠203 Hardverközeli programozás 1

12

Kiterjesztés Néha szükség van egy adatot a korábbinál több biten ábrázolni úgy, hogy az értéke ne változzon Nulla kiterjesztés Rövid előjel nélküli értékből hosszú előjelnélküli 8 bit: 01101001 16 bit: 0000000001101001 8 bit: 11010010 16 bit: 0000000011010010

Előjel tartó kiterjesztés Rövid előjeles értékből hosszú előjeles 8 bit: 01101001 16 bit: 0000000001101001 8 bit: 11010010 16 bit: 1111111111010010 Hardverközeli programozás 1

13

BCD ábrázolás Binárisan kódolt decimális Minden számjegy 4 biten ábrázolva Vannak kihasználatlan bitkombinációk Pakolatlan BCD 1 számjegy - 1 byte: 0000 vagy (0011*) bevezető 1395

00000001 00000011 00001001 00000101

Pakolt BCD 2 számjegy – 1 byte: nibble alapú 1395

00010011 10010101 Hardverközeli programozás 1

*ASCII miatt 14

Egész típus Ábrázolás Fixpontos számábrázolás Előjeles vagy előjel nélküli

BCD Bájtsorrend Little-endian: LSB elől (gazdagép bájtsorrend) Big-endian: MSB elől (hálózati bájtsorrend) Megadás különböző módokon Pl. C nyelven: 30=30u=30l=036=0x1E=0b11110* *ISO C99 Hardverközeli programozás 1

15

Karakter típus Értékei karakter kódok Fixpontos számábrázolás C: ASCII (1 byte, előjeles/előjel nélküli, egészként használható) Java: Unicode (2byte, előjel nélküli)

ASCII ⊂ ISO-8859-1 (Latin 1) ⊂ Unicode ASCII kódtábla 0x00-0x1F: vezérlő karakter 0x30-0x39: számjegy 0x41-0x5A: angol nagy betű 0x61-0x7A: angol kis betű Hardverközeli programozás 1

16

Felsorolásos típus Alacsony szinten int-ként reprezentált C nyelven a két kód assembly szinten azonos


17

A C egész típusai típus

méret

tartomány

[signed] char unsigned char

[signed] long unsigned long

255

-32.768

32.767

0

65.536

-2.147.483.648

2.147.483.647

0

4.294.967.296

-9.223.372.036.854.775.808

9.223.372.036.854.775.807

4 byte 8 byte (4 byte)

[signed] long long unsigned long long

0

2 byte

[signed] int unsigned int

127

1 byte

[signed] short unsigned short

-128

0 18.446.744.073.709.551.615 -9.223.372.036.854.775.808

8 byte

9.223.372.036.854.775.807

0 18.446.744.073.709.551.615 Hardverközeli programozás 1

18

Lebegő pontos számábrázolás Valós számok ábrázolása Alapja a normalizálás: 123,45 = 1,2345 · 102 Minden (2 számrendszerbeli) szám felírható így: (-1)S · M · AK ahol a mantissza (M) „1.H” alakú, azaz 12 ≤ M < 102 karakterisztika (K) pozitív és negatív is lehet

Nem tároljuk: alap (A=2), rejtett bit, K előjele E=K+B adott számú biten nem negatív (B: nulla pont)

Tárolandó: S, H, E Hardverközeli programozás 1

19

Lebegő pontos szabvány IEEE 754/1985 szabvány (ISO/IEC/IEEE 60559:2011) Előjel Pozitív: 0; Negatív: 1

Formátumok méret

S hossz

E hossz

H hossz

B

Egyszeres pontosság

32 bit

1 bit

8 bit

23 bit

127

Dupla pontosság

64 bit

1 bit

11 bit

52 bit

1023

Kiterjesztett pontosság

80 bit

1 bit

15 bit

63(+1) bit

16383


20

Lebegő pontos számábrázolás Példa: -13.8125 egyszeres pontossággal -13.812510 = -1101.11012 = -11 · 1.1011101 · 23 Előjel: S = 1 Karakterisztika: K = 310 = 112 Mantissza: M = 1.1011101 Hasznos bitek: H = 10111010000000000000000… Eltolt karakterisztika: E = 310+12710 = 100000102 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 S

E

H Hardverközeli programozás 1

21

Kerekítési hiba Ok: hasznos bitek tárolás véges számú biten Túl sok hasznos bit esetén kerekítés szükséges Ha az utolsó tárolható hasznos bit után ’0’ áll, akkor a további biteket levágjuk Különben felfelé kerekítünk

Kerekítési hiba: nem pontos ábrázolás Példa: 0.3 ábrázolása egyszeres pontossággal hasznos bitek: 00110011001100110011001100110… tárolt bitek: 00110011001100110011010 0.3 0.300000011920929 Hardverközeli programozás 1

22

Speciális lebegőpontos értékek +0 és -0 előjel bit ’0’ (+) vagy ’1’ (-), minden más bit ’0’ Pl.: 0.0/-1.0, -1.0*0.0

±végtelen (Inf) karakterisztika csupa ’1’, mantissza csupa ’0’ Pl.: 1.0/0.0, inf+1.0

„nem szám” (NaN) karakterisztika csupa ’1’, mantissza nem csupa ’0’ Pl.: 0.0/0.0, inf-inf, NaN+1.0

denormalizált szám (subnormal) karakterisztika csupa ’0’, mantissza nem csupa ’0’ Hardverközeli programozás 1

23

A C nyelv valós típusai Valós típusú konstansok formátuma .751f 0.751L 0.751 75.1e-2 0.0751E+1 +.75100 Valós típusok paraméterei méret

minimum

maximum

pontosság

float

4 byte

1.18 · 10-38

3.40 · 10+38

≈7 számjegy

double

8 byte

2.23 · 10-308

1.80 · 10+308 ≈15 számjegy

long double*

10 byte 3.36 · 10-4932 1.19 · 10+4932 ≈19 számjegy Hardverközeli programozás 1

24

Mutató típus Indirekt hivatkozásra szolgálnak Tartományának elemei tárcímek A mutató típusú változónak is van saját címe A C nyelvben Előjel nélküli egész reprezentáció (32 vagy 64 bit) NULL: csupa nulla bit Értéke adatcím és kódcím (!) is lehet Aritmetikai műveletek is végezhetőek velük


25

Rekord típus Különböző típusú területek együtt Mindegyik mező a saját reprezentációjával Nem biztos, hogy folytonos memóriaterületen A.a

A.b

A.c A.d

sizeof(A)==16

B.d

B.a

sizeof(B)==24 Hardverközeli programozás 1

B.c

B.b

nem használt byte 26

Tömb típus Azonos típusú elemek folytonosan tárolva Minden elem az adott reprezentációval A tömb neve C nyelven: az első elemre mutató nevesített konstans Egyes nyelveken: az összes elemre hivatkozás

Egydimenziós tömb i. elemének a címe (Ai) 1 ahol E egy adatelem mérete és A1 a tömb kezdőcíme Hardverközeli programozás 1

27

Több dimenziós tömbök Sorfolytonos tárolás ,

,

,

,

,

,

,

→

,

,

,

,

,

,

Az i. sor j. elemének címe (Ai,j) egy NxM-es mátrixban , 1 j 1 E , ahol E egy adatelem mérete és A1,1 a mátrix első elemének címe Hardverközeli programozás 1

28

Sztring típus Karakterek sorozata Elemei a megfelelő belső reprezentációban (pl. C: 1byte, ASCII; Java: 2 byte, Unicode) Hossza Fix hosszúságú Változó hosszúságú • A sztring elején hossz tárolás (pl. Pascal) • A sztring végén speciális lezárójel (pl. C) • Kombinált (pl. Delphi)


29

A C nyelv tömbje Tömb index 0-tól (db-1)-ig Csak egydimenziós tömb van, viszont van tömbök tömbje Sztring: karaktertömb Lezáró karakter ’\0’ (ASCII kód: 0)

A tömb neve az első elemre mutató nevesített konstans (mutatóorientáltság erős) egyenértékű utasítások Hardverközeli programozás 1

30

Digitális elektronikai alapok Félvezető Dióda, tranzisztor Logikai kapu Flip-flop Multiplexer, címdekódoló Összeadó áramkör

Félvezetők atomban elektron energia

„Rossz vezető, rossz szigetelő” Ok: szilárdtestek sávszerkezete 4 vegyérték elektron (Si, Ge) Kvantumfizika Bohr-féle atommodell

vezető

elektron energia

elektron energia

elektron energia

szilárdtestben

félvezető Hardverközeli programozás 1

vezetési sáv tiltott sáv vegyérték sáv

szigetelő 32

Szennyezett félvezető n-szennyező (elektron) elektron energia

5 vegyérték elektron (As, Sb)

p-szennyező (’lyuk’) 3 vegyérték elektron (Ga, In)

Új energiaszint a tiltott sávban Si Si Si

Si As Si

Si

-

Si

+

-

Si Si

-

+

+

Si Si

n-típus

Si Ga

Si

Si

+

+

-

Si

+

-

-

Si

p-típus Hardverközeli programozás 1

33

p-n átmenet Félvezető egykristály eltérően szennyezett részei között található Szabad töltéshordozók átáramlanak a másik rétegbe, rekombinálódhatnak. n

- - + + + + + - - + + + + + - - + + + + + - - + + +

töltéssűrűség

+ +

+

+ + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - -

-

kiürített réteg p

-

elektrosztatikus potenciál

potenciálgát Hardverközeli programozás 1

34

Dióda Záró irányú előfeszítés -

+

-

+ + + + + - + + + + + - + + + + + - + + + + +

-

- -

- -

-

+ + + - - + + + - - + + + - - + + + - - + + +

Nyitó irányú előfeszítés - -

-

+ + + - - + + + - - + + + - - + + +

-

+

- -

+ + + + - - - - + + + + - - - - + + + + - - - - + + + + - - - - -

+ + - + + + - + + - + + +

Dióda: egyenirányításra képes Jele: Speciális: LED Hardverközeli programozás 1

35

Tranzisztor 2 darab p-n átmenet („összefordított diódák”) p n n p Kapcsoló, erősítő Bipoláris tranzisztor E

Unipoláris tranzisztor

B C

D

p n p

G

S

p n p

C

S G

B

D

E n-csatornás JFET Hardverközeli programozás 1

36

A logikai NAND kapu 2 bemenetű logikai kapu („nem és”) Jele: Felépítése, működése: Vcc

A Q B

TTL NAND kapu

GND Hardverközeli programozás 1

A

B

Q

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

37

További logikai kapuk Felépíthetőek NAND kapukból OR NOT AND

XOR

A

Q

A

B

Q

A

B

Q

A

B

Q

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

1

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0


38

Flip-flopok Szekvenciális digitális elektronikai áramkör 1 bit információ tárolására képes Alkalmazás: regiszter, számláló, frekvenciaosztó adat kimenet

D

Q

_

CLK

Q

CLK adat bemenet

D flip-flop

4 bites regiszter Hardverközeli programozás 1

39

Multiplexer Kombinációs hálózat N jelből 1-et kiválaszt a vezérlőjelek alapján D K darab vezérlőjel 2K darab bemenő C jelet tud azonosítani

Z

B

S0

S1

Z

0

0

A

0

1

B

1

0

C

1

1

D

A

S0 Hardverközeli programozás 1

S1

4:1 multiplexer 40

Címdekódoló Kombinációs hálózat A címbemenetre adott jel alapján kiválasztja a kimenő jelek egyikét D0 N bites címbemenetre adott D1 N érték a 2 darab kimeneti D2 vonal közül 1-et aktivál A0

A1

D0

D1

D2

D3

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

0


D3

A0

A1 2 bites címdekódoló 41

Összeadó áramkör AB

Félösszeadó: 2 bit összeadására képes C

Teljes összeadó: 3 bit összeadására képes (2 félösszeadó)

A

B

Ci

Co

S

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

S

A B C

S

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

AB

Cout

Cin

S Hardverközeli programozás 1

42

Ripple-carry összeadó Több bites adatok összeadására képes Láncba fűzött teljes összeadók A3 B3 A2 B2 A1 B1 A0 B0 C

+

+

+

+

S3

S2

S3

S2

0

teljes összeadó

A3 A2 A1 A0 c

+

B3 B2 B1 B0 +

+

+

S3 S2 S1 S0 „primitív 4 bites ALU kezdemény” Hardverközeli programozás 1

43

A processzorok felépítése Számítógép architektúra CPU Regiszterek Fetch-execute ciklus RISC / CISC processzorok

Számítógép rétegmodell 0. szint: digitális logikai áramkörök (logikai kapu, flip-flop) 1. szint: mikro-architektúra (konkrét ALU, buszok) 2. szint: utasításkészlet architektúra (ISA) 3. szint: operációs rendszer (ütemezés, tárkezelés) 4. szint: programozási nyelvek (alkalmazások) Hardverközeli programozás 1

45

Neumann architektúra Princeton architektúra (Neumann János) Neumann elvek (1945): Elektronikus működés Kettes számrendszer használata Tárolt program elve Adat és program tárolás ugyanott/ugyanúgy

Soros programvégrehajtás Univerzális felhasználhatóság Hardverközeli programozás 1

46

Harvard architektúra Külön adat és program memória Eltérő felépítés, címtartomány, típus is lehet

Párhuzamos adat és utasítás elérés miatt nagyobb teljesítmény Főként mikrokontrollerekben használt Első alkalmazás: Mark I (1944) Módosított Harvard architektúra Külön adat/utasítás gyorsítótár, közös memória Modern CPU-k esetén elterjedt Hardverközeli programozás 1

47

A számítógép alapvető felépítése Processzor Memória Input-Output interfész Buszrendszer Perifériák Processzor

Memória

Perifériák

I/O interfész

Buszrendszer Hardverközeli programozás 1

48

Buszrendszer Busz (sín): vezetékek egy csoportja, amelyeken digitális jelet lehet továbbítani Buszrendszer logikai részei Címbusz: a címek bitsorozatának átvitelét biztosítja Adatbusz: adatok átviteléért felelős Vezérlő busz: részegységek működésének összehangolását segítő vezérlő jelek továbbítása Processzor

Memória

I/O interfész

címbusz adatbusz vezérlő busz Hardverközeli programozás 1

49

Processzor Központi feldolgozó egység (CPU) A számítógép „agya” Vezérlés, utasítás végrehajtás

Részei: Vezérlő egység (CU)

Végrehajtó Aritmetikai és logikai egység (ALU) egység (EU)

Címző egység (AU) és Busz illesztő egység (BIU) Regiszterek Belső gyorsítótár Hardverközeli programozás 1

50

Regiszterek Kis méretű (flip-flop-szerű) tároló áramkör Mérete általában az adatbusz szélességével egyenlő Általában 8-512 bit

Gyors hozzáférésű (elérési idő < 1ns) Darabszámát a processzor határozza meg (10-100) Gyakran regisztertömböket alkot Néha átnevezhetőek 3 kategória: Rendszer- , általános célú- és speciális célú regiszter Hardverközeli programozás 1

51

Regiszterek Programszámláló regiszter (PC vagy IP) A következő utasítás memóriacímét tartalmazza Az utasítás végrehajtása során (általában) átáll a következő utasítás címére, azaz az aktuális utasítás méretével növekszik Szekvenciális végrehajtás eszköze Értékét egyes utasítások is állíthatják (vezérlés átadás) Vezérlőegységhez (CU) kapcsolódik Hardverközeli programozás 1

52

Regiszterek Utasítás regiszter (IR) A memóriából beolvasott utasítás műveleti kódját tartalmazza A vezérlőegységhez kapcsolódik A CU ez alapján dönti el milyen műveletet kell végeztetni milyen adaton kell dolgozni (és az hol van)

A programozó által nem hozzáférhető Hardverközeli programozás 1

53

Regiszterek Akkumulátor (ACC, W, AX) Általános munka regiszter az ALU-ban Aritmetikai és logikai műveletek operandusait tartalmazza legtöbbször Általában az ilyen műveletek eredménye is itt tárolódik Újabb processzorokban több hasonló regiszter ugyanerre a célra (kevesebb memória művelet) Általában egész típusú adatokat tartalmaznak Hardverközeli programozás 1

54

Regiszterek Állapot regiszter (SR, FLAGS) Processzor állapottal, művelet eredményével kapcsolatos jelző/vezérlő biteket tartalmaz Feltételes vezérlésátadásnál (is) nagyon fontos Átvitel (CF) Nibble átvitel (AF) Túlcsordulás (OF) Előjel (SF)

Megszakítási maszk (IF) Nulla (ZF) Paritás (PF) …


55

Regiszterek Verem mutató regiszter (SP) A hardveres rendszerverem használatához A verem tetejének memóriacímét tartalmazza Általában a verem előrefelé nő Általában SP a legutóbb betett elemet címzi (Intel)

Speciális célú regiszter A „push” és „pop” művelet automatikusan változtatja az SP értékét Hardverközeli programozás 1

56

Regiszterek Címzéssel kapcsolatos speciális regiszterek Operandusok címének meghatározásánál egy alap címhez képesti relatív cím (eltolás) megadásához használható Az AU-hoz kapcsolódnak Tömbök, sztringek és lokális változók esetén hasznos Például: BP, X, SI, DI, CS, DS, SS, ES Hardverközeli programozás 1

57

Regiszterek Memória cím regiszter (MAR) Összeköti a külső és belső címbuszt Azt a címet tartalmazza, amelyhez legközelebb hozzá kell férni (írásra vagy olvasásra) A címző egység hajtja meg Címbusz szélességű


58

Regiszterek Memória adat regiszter (MDR) Összeköti a külső és belső adatbuszt Azt az adatot tartalmazza amelyet legközelebb ki kell írni a memóriába vagy amely legutóbb be lett olvasva a memóriából

Kétirányú regiszter Adatbusz szélességű


59

Aritmetikai és logikai egység Számítási műveleteket végez Tartalmaz: fixpontos összeadót, komplemens képzőt, léptető regisztereket, bitenkénti logikai művelet végző, stb. áramköröket A operandus

utasítás

B operandus

ALU

állapot

eredmény Hardverközeli programozás 1

60

Vezérlő egység Az IR-ben lévő érték alapján irányítja, szabályozza a többi egység (pl. ALU) működését Fontos regiszterei: IR, PC, SR A vezérlés történhet Huzalozott logikával (közvetlenül) Minden utasításhoz létrehozott bonyolult digitális elektronika segítségével Mikroprogramozott (közvetett) módon Minden műveleti kód elindít egy apró (ROM-ban tárolt) mikroprogramot Hardverközeli programozás 1

61

Címző egység Addressing Unit (AU), Address Generation Unit (AGU) Az utasítások sokféle címzési mód segítségével határozhatják meg hol található az operandus Az AU az operandus címét állítja elő és helyezi el az MAR-ban Az utasításban található címet képezi le fizikai memóriacímre Tárolóvédelmi hibák felismerése Kapcsolat: BIU Hardverközeli programozás 1

62

Órajel Periodikus négyszög hullám Órajel generátor (oszcillátor) állítja elő Szinkronizálja az egységek működését Arányos a CPU által disszipált hővel Periódusidő nagyobb, mint a jelterjedési idő 1 MHz – 3 GHz Gyakran változtatható (turbo, powersave) Egyéb sebesség jellemzők: MIPS, FLOPS Hardverközeli programozás 1

63

CISC processzor Komplex utasításkészletű számítógép Sok, összetett utasítás Sokféle címzési mód Változó hosszúságú utasítások Utasítás több gépi ciklust igényel Mikroprogramotott Kevés regiszter Utasítások elérhetik közvetlenül a RAM-ot Hardverközeli programozás 1

64

RISC processzor Csökkentett utasításkészletű számítógép Kevés, egyszerű utasítás Kevés címzési mód Állandó hosszúságú utasítások Utasítás egy gépi ciklust igényel Huzalozott vagy mikroprogramotott Sok regiszter Csak a Load/Store utasítás éri el a RAM-ot Hardverközeli programozás 1

65

Fetch-Execute ciklus 1.

2.

Utasítás beolvasása A PC-ben található érték megmondja, hol található a memóriában a következő utasítás. Ezt be kell olvasni az IR-be. Dekódolás A beolvasott műveleti kódot értelmezni kell. Milyen művelet? Milyen adatokon? Eredmény hová kerül? Utasításkészlet architektúra (ISA) definiálja Lehet huzalozott vagy mikroprogramozott Hardverközeli programozás 1

66

Fetch-Execute ciklus 3.

4.

5.

6.

Operandus beolvasása Az operandus címének meghatározása és onnan beolvasása a megfelelő regiszterbe Művelet végrehajtása például az ALU által, az eredmény egy átmenti regiszterbe kerül Eredmény tárolás regiszterbe vagy memóriacímre Következő utasítás címének meghatározása Hardverközeli programozás 1

67

Olvasási ciklus DIY Calculator esetén

C. Maxfield, A. Brown: The Official DIY Calculator Data Book Hardverközeli programozás 1

68

Írási ciklus DIY Calculator esetén

C. Maxfield, A. Brown: The Official DIY Calculator Data Book Hardverközeli programozás 1

69

Assembly programozás Assembly nyelv Utasítás készlet Címzési módok Fordítás-szerkesztés-betöltés Gépi kód

Assembly programozás Alacsony absztrakciós szint Programozói szabadság Feladatra optimalizálható kód Nagyobb program teljesítmény Hardverismeret szükség Nehezebben átlátható kód PC, mikrokontroller

Magasszintű programnyelvek Assembly programozás Gépi kód


71

Utasítás szerkezet 4 címes utasítás Műveleti kód

1. Operandus cím

2. Operandus cím

Eredmény cím

2. Operandus cím

Eredmény cím

Következő utasítás cím

3 címes utasítás Műveleti kód

1. Operandus cím


1. Operandus cím

2. Operandus + eredmény cím


1. Operandus cím


72

Program és utasítás felépítés Forrás fájl utasítás_1 utasítás_2 utasítás_3

Címke

Művelet

Operandus(ok)

Megjegyzés

.L1:

mov

ax, 0

# zero to ax

utasítás_4 utasítás_5 …

Címke

Azonosító, általában kettősponttal zárul

Művelet

Az elvégzendő művelet mnemonic-ja

Operandus(ok) Adat(ok) vagy adat(ok)ra hivatkozás(ok) Megjegyzés

Sor végéig a fordító figyelmen kívül hagyja


73

Utasításkészlet architektúra ISA (Instruction Set Architecture) A számítógép programozáshoz kötődő részletei Bitszélesség (buszok és regiszterek) Regiszter készlet Gépi utasítások Címzési módok Memória architektúra Megszakítás kezelés Hardverközeli programozás 1

74

Utasítás típusok Adatmozgató utasítások (Egész) aritmetikai utasítások Bitenkénti logikai utasítások Bitléptető utasítások Vezérlésátadó utasítások Sztringkezelő utasítások BCD és valós aritmetikai utasítások Fordítási direktívák Egyéb utasítások Hardverközeli programozás 1

75

Utasítás típusok Adatmozgató utasítások Regiszter-regiszter (mov, xchg) Regiszter-memória (mov) Regiszter-I/O port (in, out) Regiszter-verem (push, pop) Kiterjesztés (bitszélesség fontos) (cbw, cwd) Státusz bit állítás (sti, cli)


76

Utasítás típusok Aritmetikai utasítások Összeadás (átvitel nélkül/átvitellel) (add, adc) Kivonás (átvitel nélkül/átvitellel) (sub, sbb) Inkrementálás, dekrementálás (inc, dec) Kettes komplemens (neg) Előjeltelen/előjeles szorzás (mul, imul) Előjeltelen/előjeles osztás (div, idiv) Összehasonlítás (cmp) Hardverközeli programozás 1

77

Utasítás típusok Bitenkénti logikai utasítások ÉS művelet (and) VAGY művelet (or) KIZÁRÓ VAGY művelet (xor) Egyes komplemens (not) Bit tesztelés (test)


78

Utasítás típusok Bitléptető utasítások Logikai/előjeltelen balra léptetés (shl) Logikai/előjeltelen jobbra léptetés (shr) Aritmetikai/előjeles balra léptetés (sal=shl) Aritmetikai/előjeles jobbra léptetés (sar) Jobbra/balra forgatás (ror, rol) Jobbra/balra forgatás carry-n keresztül (rcr, rcl)


79

Utasítás típusok Vezérlésátadó utasítások Feltétel nélküli ugrás (jmp) Feltételes ugrás (ja, jae, jb, jbe, je, jne, jc, jo, …) Ciklusszervező (loop, loopz, loopnz, …) Hívó utasítás (call) Szubrutinból visszatérés (ret) Szoftveres megszakítás kérés (int) Megszakítás-kezelőből visszatérés (iret) Hardverközeli programozás 1

80

Utasítás típusok Stringkezelő (byte-sorozat kezelő) utasítások Sztring mozgató (movs, movsb, movsw) Sztring összehasonlító (cmps) Keresés sztringben (scas) Egyéb utasítások Koprocesszor vezérlő (wait, esc) Rendszervezérlő (hlt) Üres utasítás (nop) Hardverközeli programozás 1

81

Utasítás típusok Fordítási direktívák: gépi kód nincs mögöttük, a fordítás menetét befolyásolják Forrásfájl lezárása (end) Szegmens definiálás (segment, ends) Egyszerűsített szegmensdefiníció (stack, .data) Helyfoglalás (db, dw, dd) Helyettesítő szimbólum létrehozás (equ) … Hardverközeli programozás 1

82

Címzési módok Adat vagy utasítás hogyan érhető el. Rejtett (implicit, implied) Közvetlen adat megadás (immediate) Közvetlen cím (direct, absolute) Regiszteres cím (register direct) Közvetett cím (indirekt) Regiszter indirekt Indexelt cím Bázis relatív cím … Hardverközeli programozás 1

83

Címzési módok Rejtett címzés Nincs igazi cím megadás Pl. ha nincs operandus

500 501 Op.kód1 502 Op-kód2 503


84

Címzési módok Közvetlen adat megadás Műveleti kód után közvetlenül található adat Ez lesz az operandus

500 501

Op.kód

502

Adat

503


85

Címzési módok Regiszteres címzés A műveleti kód hivatkozik egy regiszterre A regiszterben található az operandus értéke regiszter 500 501

Adat Op.kód

502 503


86

Címzési módok Közvetlen cím Műveleti kód után található egy memóriacím Itt helyezkedik el az operandus

500 501

Op.kód

730 731

502

731

732

503

Adat

733


87

Címzési módok Közvetett cím A műveleti kód után található egy cím Ezen a címen található az operandus igazi címe

500 501

Op.kód

730 731

502

731

732

945

733

946

503

945


943 944 Adat

88

Címzési módok Regiszter indirekt A műveleti kód hivatkozik egy regiszterre A regiszterben található címen helyezkedik el az operandus memóriacíme regiszter 500 501

731 Op.kód

730 731

502

732

503

733

Adat


89

Címzési módok Indexelt A műveleti kód után található egy cím, ehhez hozzáadva az index regiszterben található értéket megkapjuk az operandus memóriacímét index reg. 31

500 501

Op.kód

730 731

502

700

732

503

Adat

733


90

Címzési módok Bázis relatív A műveleti kód után található egy eltolási érték, ehhez hozzáadva a bázis regiszterben található kezdőcímet megkapjuk az operandus címét bázis reg. 720

500 501

Op.kód

730 731

502

11

732

503

Adat

733


91

Gépi kód Az egyetlen nyelv, amit a processzor megért Bináris formátum Processzoronként változó lehet Példa: assembly: SUB EAX, EBX # eax = eax-ebx gépi kód: 0x29 0xD8 0

0

1

0

1

OpKód SUB művelet

Regiszter a forrás

0

0

1

1

d

s

MOD

32 bites regiszter

1

0

1 REG

Regiszteres címzés


1

0

0

0

R/M Forrás: EBX

Cél: EAX 92

Programozás Editor Szövegszerkesztőben forráskód létrehozása Forrás kód: háttértárolón tárolt szöveges file Esetleg nyelv érzékeny eszközrendszer Fordító (compiler, assembler) Előfeldolgozás, lexikai/szintaktikai/szemantikai elemzés, optimalizálás, kódgenerálás Eredmény: tárgykód (ojbect file) Nem interpreter! Hardverközeli programozás 1

93

Programozás Kapcsolatszerkesztő (linker) A tárgykódban nem igazi címek, csak hivatkozások vannak (több fájl, könyvtári függv.) Linker feloldja a hivatkozásokat: futtatható fájl Betöltő (loader) Az op. rendszer része: létrehozza a folyamatot RAM-ba tölti a gépi kódot Inicializál: regiszterek, verem Átadja a vezérlést Hardverközeli programozás 1

94

Magasszintű programozás leképezése assembly-re 1. Programozás alapjai Kifejezéskiértékelés Elágaztatás Ciklusszervezés

Gondolatébresztő kérdések Melyik értékadás fut le rövidebb idő alatt? int a, b=2, c=3, d=4, e=1, f=2; a=(b+c)*(d-e)%f; a=(2+3)*(4-1)%2; a=5; Mi az alábbi kifejezés értéke? (!3+8==2*4)+-1 Mi az alábbi kifejezés típusa? 5/(short)2==.5+’2’ Hardverközeli programozás 1

96

Gondolatébresztő kérdések Ki/mikor/hogyan végzi a kifejezés kiértékelést? Van címe a konstansnak? Van-e különbség a #define és a const között? Kétirányú elágaztatásnak minősül-e az if (a==0) b=0; utasítás? Hányszor fut le az alábbi ciklus magja? for(a<1,b=1;c++;d=1) e=1;


97

Karakterkészlet Lexikális egység Szintaktikai egység Utasítás Programegység Fordítási egység Program

Komplexitás nő

A forráskód alkotórészei


98

Konstans (literál) Közvetlen adat megadás (immediate) Kódba épített adat 8, 16, 32, 64 bit szélességű Fix vagy lebegőpontos ábrázolás Magas szinten: 123, 1.25f, ’a’ Alacsony szinten: 0x0000007b, 0x3fa00000, 0x61 Hardverközeli programozás 1

99

Nevesített konstans Komponensei: név, típus, érték #define abc 123 Előfordító kicseréli a nevet az értékre Kódba épített adat Assembly szinten egyszerű konstans const int abc=123; A fordító nem engedi a változtatást Assembly szinten egyszerű változó Hardverközeli programozás 1

100

Változó Komponensei: név, attribútum, cím, érték Hatáskör: statikus, dinamikus Deklaráció: explicit, implicit, automatikus Élettartam: statikus, dinamikus, programozó által vezérelt Értékadás: kezdőértékadás (automatikus, explicit), értékadó utasítás, paraméterátadás, input utasítás Hardverközeli programozás 1

101

Változó Alacsony szinten Adott méretű lefoglalt memóriaterület Ha van cím komponens mindig van érték is Érték: bitsorozat (tetszőleges értelmezéssel) Értékadás: memóriacímre adat mozgatás Statikus változó adat szegmensben Dinamikus változó verem szegmensben Programozó által vezérelt a heap-ben Mutató: előjel nélküli egész változó C-ben Hardverközeli programozás 1

102

Kifejezés Komponensei: típus, érték Formálisan: operátor, operandus és zárójel Operátor: uniáris, bináris, ternáris Alak: infix (2+3)*4 perfix *+234 postfix (RPN) 23+4* Infix alak esetén nem egyértelmű kiértékelés: precendencia és kötésirány kell Típusegyenértékűség vagy típuskényszerítés Hardverközeli programozás 1

103

Kifejezés kiértékelés A kifejezés értékének, típusának meghatározása Konstans kifejezést a fordító értékel ki Nem konstans infix kifejezést a fordító postfix alakra hozza (figyelembe véve a zárójeleket, precedenciát és a kötésirányt) és az alapján állítja elő a gépi kódot imul ebx, ecx eax + ebx * ecx & edx add eax, ebx and eax, edx Hardverközeli programozás 1

104

Utasítások Deklarációs utasítás Nem áll mögötte gépi kód A fordítóprogramnak szól Végrehajtható utasítás Egy magas szintű utasításból több gépi kódú utasítást is előállíthat a fordító Csoportjai: üres, értékadó, ugró, elágaztató, ciklusszervező, hívó, egyéb Hardverközeli programozás 1

105

Elágaztató utasítás Kétirányú elágaztató utasítás C nyelven: if (kifejezés) utasítás1; [else utatsítás2;]

Többirányú elágaztató utasítás C nyelven: switch(kifejezés){ case egész_konstans_kif_1: [utasítás1;] [case egész_konstans_kif_2: [utasítás2;]] [default: utasítás3;] } Hardverközeli programozás 1

106

A feltételes utasítás alacsony szinten if (feltétel) utasítás1; utasítás2; if (feltétel) utasítás1; else utasítás2; utasítás3;

cmp jne mov .L0: add cmp jne mov jmp .L2: mov .L3: add Hardverközeli programozás 1

eax, ebx .L0 ecx, 1 edx, 1 eax, ebx .L2 ecx, 1 .L3 ecx, 2 edx, 1 107

A switch utasítás alacsony szinten cmp je cmp je jmp .L3: mov .L4: mov .L2: mov add

switch (kifejezés){ case kifejezes1: utasítás1; case kifejezes2: utasítás2; default: utasítás3;} utasítás4;


eax, 1 .L3 eax, 2 .L4 .L2 ebx, 1 ebx, 2 ebx, 3 edx, 1 108

A break hatása alacsony szinten switch (kifejezés){ case 1: utasítás1; break; case 2: utasítás2; break; default: utasítás3;} utasítás4;

.L3: .L4: .L2: .L5: Hardverközeli programozás 1

cmp je cmp je jmp mov jmp mov jmp mov add

eax, 1 .L3 eax, 2 .L4 .L2 ebx, 1 .L5 ebx, 2 .L5 ebx, 3 edx, 1 109

Ciklusszervező utasítások Felépítés: fej + mag + vég Működés szempontjából: üres, ‘normál’, végtelen Fajtái: Feltételes Kezdőfeltételes Végfeltételes

Előírt lépésszámú Előltesztelő Hátultesztelő

Felsorolásos Végtelen Hardverközeli programozás 1

110

A C nyelv ciklusai Kezdőfeltételes (nem 0 feltétel esetén ismétel) while (feltétel) utasítás; for ([kif1]; [kif2]; [kif3]) utasítás; Végfeltételes (nem 0 feltétel esetén ismétel) do utasítás; while (feltétel); Hardverközeli programozás 1

111

A while és for ciklus alacsony szinten mov jmp .L3: sub .L2: cmp jne add

utasítás0; while (feltétel) utasítás1; utasítás2;

eax, 10 .L2 eax, 1 eax, 0 .L3 ebx, 1

A for és a while ciklus assembly szinten egyenértékű. Hardverközeli programozás 1

112

A do-while ciklus alacsony szinten mov eax, 10

utasítás0; do utasítás1; while (feltétel); utasítás2;

.L3: sub cmp jne add

eax, 1 eax, 0 .L3 ebx, 1

A do-while ciklus nem lehet üres ciklus. Hardverközeli programozás 1

113

Magasszintű programozás leképezése assembly-re 2. Eljárás, függvény Lokális változó Paraméterátadás

Gondolatébresztő kérdések Hol vannak az hívott eljárás utasítási? Mi a kezdő memória címük? Hova kell átadni a vezérlést? Melyik utasítással kell folytatni a végrehajtást ha végeztünk az eljárással? Mi a címe a következő utasításnak? Hova kell átadni a vezérlést? Hol tárolódik a visszatérési cím? Hol van eltárolva a hívási lánc? 115

Gondolatébresztő kérdések Hogyan kerülnek át a paraméterek az alprogramba? Hogyan kerül vissza a hívóhoz a visszatérési érték? Ismersz-e változó paraméterszámú függvényt? Hol van tárolva a lokális változó? A memória melyik részén helyezkedik el? Miért dinamikus az ‚alap’ változó élettartama? Miben különbözik a static változótól? 116

Gondolatébresztő kérdések Melyik program a gyorsabb? Miért? #include<math.h> int main(){ int a,b=-23; a=abs(b); return 0;} #define abs(x) ((x)<0)?(-1*(x)):(x) int main(){ int a,b=-23; a=abs(b); return 0;} 117

Gondolatébresztő kérdések Mit ír az alábbi program a képernyőre? #include<stdio.h> int b=2; void one(int a){ a=a+1;} int main(){ one(b); printf(”%d %d\n”,a,b); return 0;}

118

Gondolatébresztő kérdések Hányszor fut le az eljárás? #include<stdio.h> void one(int a){ if(a>0) one(a-1); } int main(){ one(1000000); return 0; }

119

Gondolatébresztő kérdések Mit csinál a program? #include<stdio.h> void one(){ int T[10000000]; T[12345]=67; printf(”%d”,T[12345]); } int main(){ one(); return 0; } 120

Gondolatébresztő kérdések Mit ír az alábbi program a képernyőre? #include<stdio.h> void one(){ int a=-43;} void two(){ int b; printf(”%d\n”,b);} int main(){ one(); two(); return 0;} 121

Alprogram Az újra felhasználhatóság és a procedurális absztrakció eszköze Komponensei: Név Formális paraméterlista Törzs Környezet Fajtái: Eljárás Függvény 122

Eljárás Tevékenységet hajt végre Aktivizálás utasításszerűen lehet Befejezés a törzs végére érve vagy befejeztető utasítással Folytatás a hívás utáni utasítással void procedure(int a, char b){ printf(”%d %c”,a,b); } // C nyelven nincs eljárás …

procedure(3,’A’); … 123

Függvény Értéket határoz meg Aktivizálás kifejezésben Befejezés általában befejeztető utasítás révén visszatérési érték megadásával Folytatás a kifejezés kiértékelésnél int function(int a, char b){ return a+b; } …

x=2*function(3,’A’)+1; … 124

A verem Last In First Out tároló Tetejének a memóriacímét a verem mutató regiszter (SP) tárolja Push és Pop művelet A verem mérete korlátos Veremhez gyakran hozzá kell férni Általában gyorsítótárazott (cache) Adat kivétele nem fizikai törlés Külön memóriaszegmensben van 125

Eljárás hívás alacsony szinten RAM:

PC

1 2 3 12

… hívó_utasítása_1

6

hívó_utasítása_2 eljárás_hívás hívó_utasítása_3

7

…

8

hívott_utasítása_1

9

hívott_utasítása_2 befejeztetés

4

SP

…

10 5 0 11

old_PC 126

Hívási lánc Az alprogramok hívhatnak újabb alprogramokat, azok továbbiakat, … A visszatérési címek folyamatosan a verem tetejére kerülnek (A verem mérete nő.) A hívási lánc dinamikusan épül fel, bomlik le A lánc miden tagja aktív, de csak a legutóbbi működik Rekurzió: egy aktív alprogram meghívása 127

Lokális változók Az programegységben deklarált nevek (változók) a programegység lokális nevei (változói). C nyelvnél (alapesetben): Statikus hatáskörkezelés Dinamikus élettartam kezelés Nincs automatikus kezdőérték

128

Lokális változó alacsony szinten Az alprogramba lépéskor a verem tetején a visszatérési cím található A verembe mentjük a bázis regiszter értékét A veremmutató (SP) értékét átmásoljuk a bázis regiszterbe (BP) Átállítva a veremmutató értékét hagyunk helyet a lokális változók számára a veremben A verem nem csak FIFO módon kezelhető A lokális változók ‚bázis relatív’ címzéssel elérhetőek 129

Lokális változó alacsony szinten void eljar(){ int a=1; int b=2; int c=3; … * }

* A RAM tartalma: 730 734

???

738

a=1

[ebp-12]

742

b=2

[ebp-8]

746

c=3

[ebp-4]

750 régi ebp 754 ret. cím


esp=734

ebp=750

130

Lokális változó alacsony szinten eljar: push ebp mov ebp, esp sub esp, 16 mov DWORD PTR [ebp-12], 1 mov DWORD PTR [ebp-8], 2 mov DWORD PTR [ebp-4], 3 … mov esp, ebp pop ebp ret Hardverközeli programozás 1

131

Paraméter kiértékelés Formális- és aktuális paraméter összerendelés Sorrendi kötés Név szerinti kötés

Számbeli egyeztetés Azonos paraméterszám Eltérő paraméterszám

Típusegyeztetés Típusegyezés Típus konverzió 132

Paraméterátadás Érték szerinti Cím szerinti Eredmény szerinti Érték-eredmény szerinti Név szerinti Szöveg szerinti Az adatmozgás iránya fontos C nyelvben: csak érték szerinti paraméterátadás 133

Érték szerinti paraméterátadás Formális paraméternek van címkomponense a hívott területén. Aktuális paraméternek van érték komponense. Az aktuális paraméter értéke átkerül a hívott alprogram területén lefoglalt címkomponensre. Az információátadás egy irányú. Az alprogram a saját területén dolgozik. A hívott alprogram nem tudja hol van a hívó. 134

Függvényhívás alacsony szinten 1.

2. 3. 4.

A hívó a verembe teszi az aktuális paramétereket fordított (!) sorrendben. (sorrendi kötés, számbeli egyeztetés) A verembe bekerül a visszatérési cím (PC aktuális értéke). PC megkapja a hívott alprogram kezdőcímét. Szekvenciálisan lefutnak a hívott utasításai. Hívott alprogram felhasználja a veremben lévő paramétereket (bázis relatív, lokális változó). Meghatározódik a visszatérési érték. 135

Függvényhívás alacsony szinten 5.

6.

7.

8. 9. 10.

Verembe visszatérési érték betétele (a visszatérési cím alá). Veremből visszatérési cím (hívást követő utasítás címe) kivétele. Vezérlés visszaadása a megadott címre (lásd 5. pont). Visszatérési érték kivétele a veremből. Paraméterek kitakarítása a veremből. Végrehajtás folytatása a következő utasítással. 136

Függvényhívás alacsony szinten Egyes esetekben… … a paraméterek meghatározott sorrendben regiszterekbe kerülnek, itt adódnak át. (El kell menteni a korábbi tartalmat) … a visszatérési értéket az egyik regiszteren keresztül adjuk vissza A paraméterek kitakarítása a veremből lehet a hívó vagy a hívott feladata is


137

Példa C nyelven * A RAM tartalma:

int fuggv(int c){ int a; a=c+1; * return a; } int main(int argc, char *argv[]){ int a, b; a=argc; b=fuggv(a); return b; } Hardverközeli programozás 1

esp=726

726 fuggv: c

[ebp-8]

730 fuggv: a 734 régi ebp 738

[ebp-4]

742 visszatér. cím 746 750 param.

[ebp+8]

754

[ebp+20]

ebp=734 [ebp+4] [ebp+12] [ebp+16]

758 main: a 762 main: b 766 ősi ebp 770 138

Példa assembly-ben #1 fuggv:

push mov sub mov mov mov add mov mov mov mov pop ret

rbp rbp, rsp rsp, 8 eax, DWORD PTR [rbp+16] DWORD PTR [rbp-8], eax eax, DWORD PTR [rbp-8] eax, 1 DWORD PTR [rbp-4], eax eax, DWORD PTR [rbp-4] DWORD PTR [rbp+16], eax rsp, rbp rbp


139

Példa assembly-ben #2 main:

push mov sub mov mov push call pop mov mov mov pop ret

rbp rbp, rsp rsp, 8 DWORD PTR [rbp-8], edi eax, DWORD PTR [rbp-8] rax fuggv rax DWORD PTR [rbp-4], eax eax, DWORD PTR [rbp-4] rsp, rbp rbp


140

Cím szerinti paraméterátadás Formális paraméternek nincs címkomponense a hívott területén. Aktuális paraméternek van cím komponense a hívó területén. Az aktuális paraméter címe átkerül a hívott alprogramhoz, aki itt dolgozik. Az információátadás két irányú. Az alprogram a hívó területén dolgozik. Gyorsabb, de veszélyesebb. 141

Megszakítási rendszer és input/output Megszakítás, kivétel Megszakításkezelés Input/output Buszrendszerek, perifériák

Szükségesség Az általános célú számítógépek fontos képessége, hogy kölcsön hat az I/O eszközökkel (billentyűzet, egér, hálózati interfész, monitor). Ezek ez eszközök azonnali választ várnak a processzortól, függetlenül attól mivel foglalkozik éppen. Váratlanul bekövetkező eseményekre a CPU-nak reagálnia kell. A megszakítás szolgál a CPU figyelmének felhívására. Hardverközeli programozás 1

143

Megszakítás Speciális jelzés a CPU számára Egy esemény bekövetkeztét jelzi Azonnal reagálni kell rá A „normál” végrehajtást meg kell szakítani Később tudni kell folytatni

Forrás Hardver Processzor Szoftver Hardverközeli programozás 1

144

Megszakítás típusok Aszinkron Külső forrásból (például I/O eszköz) származik Független az aktuálisan végrehajtott utasítástól Szinkron (másként „kivétel”) Processzor által érzékelt kivétel Hiba: „kijavítható” probléma, újra próbálkozás Csapda: pl. nyomkövetésnél Elvetés: jelentős, „javíthatatlan” (hardver) hiba

Programozott kivétel (rendszerhívás) Hardverközeli programozás 1

145

Fogalmak Megszakítási vonal Egy (vagy több) CPU vezérlő busz vezeték Megszakítási kérelem (IRQ) A megszakítások egész számokkal (0-255) azonosíthatók Lehet prioritásuk Programozható megszakítás vezérlő (PIC, APIC) Azonosítja a megszakítás forrását, aktiválja a megszakítási vonalat, kezeli prioritásokat Hardverközeli programozás 1

146

Fogalmak Megszakítási rutin (ISR) Az a programrész, amely megszakítási kérelem esetén aktiválódik, kezeli a speciális helyzetet „Hívás nélküli” alprogramhoz hasonlít Kontextus Ahhoz, hogy folytatni tudjuk a „normál” végrehajtást a kivételkezelés után először el kell menteni, majd vissza kell állítani az eredeti környezetet, regisztertartalmakat Hardverközeli programozás 1

147

Fogalmak Maszkolás Egyes megszakítási kérelmek figyelése kikapcsolható Egyszerre, globálisan, processzorban Külön-külön, a PIC-ben lévő IMR segítségével

Vannak nem maszkolható megszakítások (NMI) Nested interrupt („fészkelt megszakítás”) Megszakítási rutint megszakító újabb IRQ Megszakítás megszakítása Hardverközeli programozás 1

148

Megszakításkezelés Utasítás beolvasás

nem

Utasítás dekódolás

Kontextus mentés

Utasítás végrehajtás

Eszköz azonosítás Rutin (ISR) keresés

Megszakítás?

igen NMI?

igen

nem igen

Maszk tilt?

Rutin (ISR) végrehajtás Kontextus visszaállítás

nem Hardverközeli programozás 1

149

Megszakításkezelési technikák Vektoros megszakításkezelés Megszakítási vonal aktiválás A megszakítás kérő azonosítja magát Adatbuszon egyedi kódot/címet küld

Lekérdezéses (polling) megszakításkezelés Megszakítási vonal aktiválás A CPU sorozatos lekérdezésekkel kideríti kinek van megszakítási igénye Hardverközeli programozás 1

150

Megszakításkezelési technikák Vektoros megszakításkezelés

IRQ

ISR 1 címe … ISR n címe

vektor

IRQ n

Lekérdezéses megszakításkezelés

…

megszakítás lekérdező eljárás programkódja

…

…

ISR 1 programkódja

ISR 1 programkódja

…

…

ISR n programkódja

ISR n programkódja

…

… Hardverközeli programozás 1

151

Input/Output Kapcsolat a külvilággal Hardveres I/O interfészek Szoftver interfész (device driver) Perifériás eszközök Periféria 1

Periféria 2

buffer

buffer

Külső buszok

Processzor

Memória

I/O interfészek

Rendszer busz Hardverközeli programozás 1

152

Input/output interfészek Kapcsolat a CPU és a perifériák között Címezhető eszközök Memóriára leképezett I/O (MMIO) Portra leképezett I/O (PMIO)

Különböző adatsebesség Különböző fizikai jelek Soros átvitel Párhuzamos átvitel

Az eszközvezérlés nem a CPU feladata Hardverközeli programozás 1

153

I/O technikák Programozott I/O (PIO) Speciális I/O utasításokkal (in, out) A program írja le mikor kell a perifériához fordulni (függetlenül annak állapotától) Utasításonként csak egy szó átvitele az I/O buffer és a CPU regiszterei között I/O adat és címregiszterek a CPU-ban Sok CPU időt felemészt az eszközök állapotának sorozatos elkérdezése Hardverközeli programozás 1

154

I/O technikák Megszakítás vezérelt I/O A periféria megszakításokkal jelez a CPU-nak Ha van új input vagy Ha kész van az outputtal

A CPU nem figyel folyamatosan Közben tud mással foglalkozni

Az adatmozgás a CPU és az I/O modul között történik


155

I/O technikák Direkt memória hozzáférés (DMA) Külön vezérlő révén közvetlen RAM-I/O kapcsolat (RAM-RAM, RAM-I/O) A CPU kéri fel a DMA vezérlőt a műveletre Ha a DMA vezérlő kész van megszakítást kér CPU nem vesz részt az adatmozgatásban Blokkos átviteli mód I/O processzor (IOP) DMA kiterjesztése nagyobb önállósággal Hardverközeli programozás 1

156

Buszrendszerek Párhuzamos ISA PCI ATA (ATAPI, UATA, IDE) VESA Local Bus (VLB) SCSI AGP …

Soros I2C PCI Express Serial ATA USB Serial Attached SCSI FireWire …


157

PCI busz Peripheral Component Interconnect Párhuzamos belső busz Sínszélesség: 32 vagy 54 bit Átviteli sebesség: 133-533 MB/s Fejlesztés: 1992-2002 Külön vezérlőáramkör szükséges

Forrás: en.wikipedia.org/wiki/Conventional_PCI Hardverközeli programozás 1

158

PCIe busz Peripheral Component Interconnect Express Soros belső busz 1 link 1, 2, 4, 8, 16 vagy 32 sávból áll Átviteli sebesség: 4000-31500 MB/s Fejlesztés: 2003Minden eszköznek külön link (nem osztoznak) Forrás: en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express Hardverközeli programozás 1

159

(Parallel) ATA busz (Parallel) AT Attachment Párhuzamos belső busz „Szinonimák”: PATA, ATAPI, UATA, IDE, EIDE Átviteli sebesség: 3,3-166 MB/s Fejlesztés: 1986-2003 HDD, FDD, CD és DVD meghajtó csatlakoztatás

Forrás: en.wikipedia.org/wiki/Parallel_ATA


160

SATA busz Serial ATA Soros belső busz Pont-pont kapcsolat Átviteli sebesség: 150-2000 MB/s Fejlesztés: 2003HDD, SSD, CD és DVD meghajtó csatlakoztatás

Forrás: hu.wikipedia.org/wiki/Serial_ATA


161

USB busz Universal Serial Bus Soros külső busz Plug-and-Play, elosztható (hub) Átviteli sebesség: 0,18-1250 MB/s Fejlesztés: 1996Csatlakozók: standard-A, standard-B, mini-A, mini-B, micro-A, micro-B

Forrás: en.wikipedia.org/wiki/USB


162

Vezérlő hub-ok Az alaplap fontos chip-jei Northbridge (memóriavezérlő hub) Southbridge (I/O vezérlő hub) CPU

AGP

Northbridge

RAM

Southbridge BIOS

PCI

IDE

USB


LAN

I/O 163

Eszközmeghajtó Device Driver Eszköztípusok Karakteres, blokkos, hálózati, egyéb

A programok hardvertől független rendszerhívásokat alkalmaznak open, read, write, close, …

Az eszközmeghajtók „töltik meg” ezt konkrét hardver specifikus tartalommal


164

Perifériák Input

Output

Billentyűzet Egér Szkenner Kamera

Monitor Nyomtató Projektor Audio rendszer

Tároló

Hálózat

Háttértár (HDD, SSD) CD/DVD/Blu-ray USB tároló Memória kártya Hardverközeli programozás 1

Ethernet kártya Wi-Fi kártya

165

Adattárolás Operatív memória Cache Háttértárak

Tárolók osztályzása Írhatóság szempontjából Csak olvasható, olvasható-írható

Hierarchiabeli helye szerint Elsődleges, másodlagos, harmadlagos

Tárolási közeg szerint Félvezető, mágneses, optikai

Adatmegőrzés szerint Megmaradó, nem megmaradó

Elérés szerint Soros elérésű, tetszőleges elérésű Hardverközeli programozás 1

167

Elsődleges memória A processzor és a futó programok által aktívan használt tároló Gyors elérésű Nem maradandó memória Méret erősen korlátos Ide tartoznak Regiszterek Gyorsítótárak Operatív memória Hardverközeli programozás 1

168

Másodlagos memória Háttértároló Az elsődleges memória „kiterjesztése” Nagy tároló kapacitás Kisebb elérési sebesség Maradandó tárolás Ide tartoznak HDD, SDD CD-, DVD-meghajtó Memóriakártya Hardverközeli programozás 1

169

Harmadlagos memória Többnyire eltávolítható adathordozókra épít Robotikus eszközök csatlakoztatják a kívánt tároló médiumot („wurlitzer”) Ritka hozzáférés Óriási tároló kapacitás Cél hosszú távú archiválás Ide tartoznak Mágnesszalagos tárolók Optikai tárolók Hardverközeli programozás 1

170

Félvezető memóriák Read-Only Memory (ROM) Gyártás során kerül bele a tartalom, ami később nem változtatható Tartalmat sokáig megőrzi, tápfeszültség hiányában is Programable Read-Only Memory (PROM) Gyártás után „üres”. Speciális eszközzel egyszer „beégethető” a tartalom Az írás folyamata lassú (a RAM-hoz képest) Hardverközeli programozás 1

171

Félvezető memóriák Erasable Programable ROM (EPROM) Erős UV fénnyel (lassan) törölhető a tartalom Majd ismét újraírható Electrically Erasable Programable ROM (EEPROM) Elektronikusan, bájtonként törölhető tartalom Flash memória Speciális továbbfejlesztett EEPROM Blokkonként (gyorsabban) törölhető Hardverközeli programozás 1

172

Félvezető memóriák Random Access Memory (RAM) Véletlen elérés Elérési idő nem függ az elhelyezkedéstől

Írható/olvasható tetszőleges számban Elveszti a tartalmát tápfeszültség hiányában Nagy írási/olvasási sebesség Static Random Access Memory (SRAM) Frissítés nélkül is megtartja a flip-flipokban a tartalmat a tápellátás megszűnéséig (pl. cache) Hardverközeli programozás 1

173

Félvezető memóriák Dynamic Random Access Memory (DRAM) Rendszeresen frissíteni kell, hogy a kondenzátor révén tárolt információ megmaradjon SRAM-nál lassabb (pl. operatív tár) Olyan gyorsan válaszol ahogy tud Syncronous Dynamic RAM (SDRAM) Órajellel szinkronizált válasz Gyorsabb az aszinkron DRAM-nál (pipeline működés) Hardverközeli programozás 1

174

Félvezető memóriák Double Data Rate (DDR) Gyorsított SDRAM Az órajel fel és leszálló élére is szinkronizál DDR2, DDR3, DDR4 Egyre nagyobb sebesség Egyre nagyobb adatsűrűség Egyre kisebb feszültség

Nem kompatibilis DIMM (SDRAM, DDR, DDR2, DDR3, DDR3) Hardverközeli programozás 1

175

Gyorsítótár Egyes eszközök rendszeresen adatot cserélnek Az eszközök adatátviteli sebessége nagyon eltér A lassú eszköz miatt a gyors is „lelassul” Pl. a CPU kb. 10-szer gyorsabb a RAM-nál Megoldási ötlet Köztes tároló beiktatása (cache) Gyorsabb, mint a lassú eszköz (SRAM, közeli) Magas ára miatt teljesen nem helyettesíti a lassút Létjogosultság: lokalitási elvek Hardverközeli programozás 1

176

Gyorsítótár Térbeli lokalitás elve Ha egy program hivatkozik egy memóriacímre (adat vagy utasítás), akkor nagy valószínűséggel hamarosan hivatkozik a szomszédos címekre is Szekvenciális végrehajtás, tömbök

Időbeli lokalitás elve Ha egy program hivatkozik egy memóriacímre, akkor nagy valószínűséggel hamarosan ismét hivatkozik rá Ciklusok Hardverközeli programozás 1

177

Gyorsítótár Leggyakrabban használt adatok tárolása Kisebb tárolókapacitás, gyorsabb elérés (SRAM), mint az operatív memória esetén Átlátszóak a felhasználó számára Asszociatív (CAM) memóriát tartalmaz CPU cache, GPU cache, Web cache, DNS cache CPU cache Többszintű: L1, L2, L3 cache On-chip vagy off-chip Hardverközeli programozás 1

178

Gyorsítótár felépítése A tárolás egysége a „Sor” A Sor részei a „Tag” (toldalék) és a „Blokk” A Tag tartalmazza a Blokk főtárbeli címét és egyéb vezérlő információkat A Blokk a főtár egy részének a másolata RAM

Cache

CPU Tag 128

…

Blokk

ABC

127

DEF

DEF

128

GHI

129

JKL

130

MNO

131

131

…

MNO

129

…

GHI


… 179

A cache működése A processzor a szükséges adatot a cache-ben keresi (átadja a tárcímet a cache vezérlőnek) Ha az adott cím el van tárolva a Tag-ben (cache hit), akkor válaszol a Blokk tartalma alapján Ha a cím nincs eltárolva (cache miss), akkor beolvassa a megfelelő területet a főtárból, dönt arról, melyik sorba mentse és elmenti (felülírva valamelyik cache sort), majd válaszol a Blokk tartalma alapján Hardverközeli programozás 1

180

A cache működése Az írás művelete során figyelni kell a főtár és a gyorsítótár tartalmának konzisztenciájára Megoldások Közvetlen írás Visszaírás

Közvetlen írás Gyorsítótár írásával egyidejűleg a főtár is íródik Az írást a cache nem gyorsírja Hardverközeli programozás 1

181

A cache működése Visszaírás (write back) Gyorsítótár minden írás esetén módosul A Tag vezérlő részében ezt jelezzük („dirty”) Ha a cache adott sorát felül kell írni újabb olvasási művelet miatt, és a sor „dirty” visszaírjuk a tartalmát a főtárba Majd megtörténik a sor felülírása az újjal Többprocesszoros rendszerekben probléma a külön cache-ek miatt!!! Hardverközeli programozás 1

182

A cache működése olvasás

Cache hit? nem

Igény?

írás

igen

igen

Cache hit? nem

Felülírandó sor keresés „Dirty”? nem

Felülírandó sor keresés igen

Felülírandó sor visszaírása

Felülírandó sor visszaírása

igen

„Dirty”? nem

Alsóbb memória olvasás a választott sorba

Alsóbb memória olvasás a választott sorba Státusz: nem „dirty”

Új adat írása a választott blokkba Státusz: „dirty”

Válasz az adattal Hardverközeli programozás 1

183

A cache jellemzői A gyorsítótár mérete A Blokk mérete Egy Blokk kikeresésének ideje Aktualizálási idő (visszaírásnál) Helyettesítési stratégia (sor felülírásnál) Találati arány (hit rate) Általában 90% feletti Méretfüggő Hardverközeli programozás 1

184

Cache hierarchia processzor core L1 utasítás

processzor core

L1 adat

L1 utasítás

L2

core L1 adat

L1 utasítás

L2

core L1 adat

L1 utasítás

L2

L3

L2 L3

Fő memória


L1 adat

>10kB >100kB >1MB

>1GB

185

Cache hatása a programokra ... ARRAY = (double*)malloc(SIZE*sizeof(double)); N_Rep = 1000000000/SIZE; for(j=0; j
Ha az adat elfér a cache-ben, akkor a program gyorsabb!


186

Háttértár Problémák Az operatív tár nem elég nagy Kikapcsoláskor a RAM tartalma elvész Megoldás Háttértár: lassabb elérés, de nagyobb kapacitás Tárolási elv Mágneses: merevlemez (HDD) Elektronikus: szilárdtest-meghajtó (SSD) Optikai: CD, DVD, Blu-ray Hardverközeli programozás 1

187

Merevlemez Winchester, Hard Disc Drive (HDD) Mágnesezhető, forgó lemezeken tárolt adat Lemezenként 2 író/olvasó fej Tulajdonságai Tárolókapacitás: <2TB Írási/olvasási sebesség: 100MB/s - 1GB/s Fordulatszám: 5400 - 15000 rpm Csatoló felület: ATA, SATA, SCSI, USB Lemez gyorsítótár mérete: 1MB – 64MB Hardverközeli programozás 1

188

Adattárolás merevlemezen A HDD több tároló lemezt tartalmazhat A lemezek felülete koncentrikus sávokra osztott Az egymás alatti lemezeken lévő azonos sugarú sávok alkotják a cilindert A sávok szektorokra vannak osztva Ez az adattárolás legkisebb egysége

Klaszter a szektorokból álló folytonos terület Minden író/olvasó fej egyszerre mozog egy adott pillanatban egy cilinderen helyezkednek el Hardverközeli programozás 1

189

Szektor Hagyományos szerkezet 512 bájtos szektor rés

szinkron

cím

hibajavító 512 bájt adat

sáv

szektor

szektor

szektor

szektor

szektor

szektor

szektor

szektor

Advanced Format (AF) 4K native 4096 bájt adat


190

Szektor hatása programokra ... #define SIZE 2048 char BUFFER[SIZE]; out=open("output.txt",O_WRONLY); write(out, BUFFER, SIZE); close(out); ...

Szektor méretnél kevesebbet fájlba írni nem hatékony!


191

Bufferelt adatfolyam Az output adatfolyamokat gyakran a rendszer buffereli és csak később blokkosan írja ki. Kevesebb rendszerhívás, kevesebb lemez művelet, gyorsabb program … while(i<100000){ fprintf(f,”x”); sleep(t); i++; } … Hardverközeli programozás 1

192

Adatelérés merevlemezen Hogyan hivatkozható egy terület a HDD-n? CHS cilinder-fej-szektor hármassal (régi) LBA logikai blokk címzéssel (lineáris, új) Konverzió: LBA = (C*Nfej+H)*Nszektor+(S-1) Lemezvezérlő foglalkozik a logikai és fizikai cím leképezéssel Hardverközeli programozás 1

193

Sávok szektorszáma Régi HDD esetén Minden sávban azonos számú szektor Külső szektorok adatsűrűsége sokkal kisebb, mint a belsőké (kihasználatlanság) Modern HDD esetén Zone Bit Recording (ZBR) Szektorok adatsűrűsége közel azonos Külső sávokban több szektor, mint a belsőkben Címzés bonyolultabb Hardverközeli programozás 1

194

HDD magasabb szinten Formázás Alacsony szintű (szektor szerkezet kialakítás) Magas szintű (fájlrendszer)

Particionálás HDD kisebb logikai egységre bontása MBR, GPT kialakítás

Fájlrendszerek FAT32, NTFS ext2, ext3, ext4 Hardverközeli programozás 1

195

MBR és GPT Master Boot Record (MBR) LBA 0 Boot kód + Partíciós tábla Max 4 partíció és egyenként max 2,2 TB GUID Partition Table (GPT) MBR megőrzés LBA 1: GPT header UEFI szabvány (BOIS lecserélés) Max 128 partíció és egyenként max 9,4 ZB Hardverközeli programozás 1

196

FAT file rendszer Merevelemez 0

MBR

1

FAT 1

2

FAT 2

3

Gyökér

4

„gyümölcs ”

5

„állat.”

6

„Az alma ”

7

„finom ”

8

„szerintem.”

File Allocation Table 0 1 2 3

4

5

6

7

8

8

EOF

7

4

EOF

9

10 5

Gyökérkönyvtár bejegyzései Fájlnév

Attribútumok Kezdő klaszter

Alma.txt

Bla-bla

6

Kutya.txt

Bla-bla

10

9 10

„Emlős ” Hardverközeli programozás 1

197

Linux file rendszerek Pl.: Ext2, Ext3, Ext4 Fájl tárolása könyvtári bejegyzés

inode

file név inode ID

attribútumok mutató

adat blokk file tartalom a lemezen

Könyvtár tárolás könyvtári bejegyzés

inode

könyvtár név inode ID

attribútumok mutató

adat blokk file1 inode ID 1 file2 inode ID 2 file3 inode ID 3 file4 inode ID 4


198

Linux file rendszerek Könyvtár hierarchia könyvtári bejegyzés

inode

file adat

partíció MBR cilinder csop. cilinder csop. cilinder csop. cilinder csop. cilinder csop. cilinder csop.

sys inode tábla

adat szektorok Hardverközeli programozás 1

199

inode inode

adat blokkok méret

attribútumok

eszköz felhasználó csoport fájl mód időbélyegek

adatblokk mutatók

linkszám direkt mutatók (12 db) simpla indirekt dupla indirekt tripla indirekt Hardverközeli programozás 1

200

RAID Redundant Array of Independent Disks Adateloszlás vagy replikálás több lemezen A technológia célja Adatbiztonság növelés Adatátviteli sebesség növelés

Több „szint” (RAID 0-6) Akár hierarchikusan is (RAID 1+0)

Szoftveres vagy hardverrel támogatott megvalósítás Hardverközeli programozás 1

201

RAID példák RAID 0 (összefűzés)

RAID 1 (tükrözés)

A1 A3 A5 A7

A2 A4 A6 A8

A1 A2 A3 A4

A1 A2 A3 A4

Lemez 1

Lemez 2

Lemez 1

Lemez 2

RAID 4 (paritás lemez) A1 B1 C1 D1

A2 B2 C2 D2

RAID 5 (forgó paritás)

AP BP CP DP

A1 B1 CP D1

Lemez 1 Lemez 2 Lemez 3

A2 BP C1 D2

AP B2 C2 DP

Lemez 1 Lemez 2 Lemez 3


202

SSD Szilárdtest-meghajtó (Solid State Disk) Mozgó alkatrész nélküli félvezető memória Blokkos adatelérés SATA, SCSI, USB csatlakozás Előnyei a HDD-vel szemben Gyorsabb adatelérés Egyenletes adathozzáférés Kisebb zaj, fogyasztás és hőtermelés Mechanikai megbízhatóság Hardverközeli programozás 1

203

Memória hierarchia Elérési idő

Regiszter L1 cache

s

L2 cache

ms

L3 cache

µs

Memória

ns

Lemez Harmadlagos tár


204

Memória hierarchia Regiszter

EB

L1 cache

TB

L2 cache

GB

L3 cache

MB

Memória

Tároló kapacitás

kB B

Lemez Harmadlagos tár


205

A programozás és az operációs rendszer Rendszerhívás Folyamatok Szignál Ütemezés Virtuális memória

Duál-módú működés Kernel mód Magas CPU jogosultság A processzor minden utasítást végre tud hajtani Minden memóriarekesz megcímezhető User mód Alacsony CPU jogosultság Processzor korlátozott utasításkészletet használ Nem minden memóriarekesz hozzáférhető Hardverközeli programozás 1

207

Rendszerhívás Interfész a felhasználói program és az operációs rendszer között A program egy szolgáltatást igényelhet az operációs rendszer kerneltől Tipikus megvalósítás szoftver interrupt-tal Kernel módú működés Például Folyamatok kezelése Fájlok kezelése Eszközök kezelése Hardverközeli programozás 1

208

Rendszerhívás Példa: Egy USB meghajtón lévő file írása Saját C program fprintf() standard könyvtári függvény write rendszerhívás USB driver USB drive Hardverközeli programozás 1

Felhasználói program Könyvtári függvény Szoftver Rendszerhívás Kernel Eszköz meghajtó Hardver eszköz Hardver

209

Folyamat Process, processzus Végrehajtás alatt álló program Erőforrásokkal rendelkezik CPU-idő, memória, állományok, I/O eszközök

A folyamatokhoz kapcsolódó információkat a folyamatvezérlő blokkban (PCB) tartalmazza Kommunikálhatnak egymással Inter-process communication (IPC)


210

Folyamat Egyedi azonosítóval rendelkezik (PID) Minden folyamatnak egy szülő- és több gyermek folyamata lehet Multi-programozott környezetben egynél több folyamat is lehet egyszerre Egy vagy több szálból állhat a folyamat Különböző állapotokban lehetnek Az állapotok között különböző állapotátmenetek


211

Folyamat ütemezés Multi-programozott környezet (több folyamat) Ütemező: választ a futásra kész folyamatok közül, ki kapja meg a CPU-t Algoritmusok: FCFS, RR, SJF, EDF

Preemptív ütemezés Pl. hardveres időzítő lejár és megszakítást kér Aktuális folyamat megszakad, majd aktiválódik az ütemező kódja Választ egy folyamatot, beállítja az időzítőt és átadja a vezérlést a választott folyamatnak (PCB-t módosít). Hardverközeli programozás 1

212

Folyamat állapotátmenetek Új

Befejezett leállás Futó ütemezés

eseményre várás

időtúlfutás Futásra kész kilapozás

esemény bekövetkezés

belapozás

Várakozó kilapozás

belapozás

Várakozó felfüggesztett


lapozó file

Futásra kész felfüggesztett

operatív memória

befogadás

213

Folyamatok közötti kommunikáció Néha a folyamatoknak szükségük van információcserére egymás között Fájl: több folyamat által közösen használt fájl Pipe: pl. input/output átirányítás Szignál: értesítés eseményről bekövetkeztéről Szemafor: osztott erőforrás szinkronizációjához Shared memory: közösen használt RAM terület Socket: hálózati protokollokon keresztül … Hardverközeli programozás 1

214

Szignál Egy folyamatnak küldött jelzés Esemény bekövetkeztét jelzi, aszinkron módon Üzenet/adat csere nincs Ha egy folyamat kap egy szignált a normál működés megszakad végrehajtódik a definiált szignálkezelő kód, majd a folyamat folytatódik Gyakori szignálok: SIGINT (2), SIGKILL (9), SIGALRM (14), SIGTERM (15), SIGCHLD (18), SIGSTOP (23), SIGCONT (25) Hardverközeli programozás 1

215

Virtuális memória A fizikai memória korlátainak transzparens átlépését teszi lehetővé a háttértár segítségével Fizikai memória keretekre osztva Logikai memória lapokra osztva (fix méret: 4kB) Külön virtuális- és fizikai címzés Virtuális cím leképezése fizikai címre: laptábla A nem használt lapok kilapozhatóak a HDD-re A Memory Management Unit (MMU) irányít Hardverközeli programozás 1

216

Virtuális memória Hivatkozás RAM-ban nem lévő lapra (lap hiba) Lapcsere szükséges

Lapcserélési stratégia fontos (FIFO, LRU, …) HDD elérés ideje kb. 100 000-szerese a RAM elérési időnek Gyakori lapozás lassítja a programot

Megvalósítás Linux: swap partíció Windows: C:\pagefile.sys fájl Hardverközeli programozás 1

217

Virtuális memória kezelése 1. 2.

3. 4.

5.

CPU logikai memória igény (lap# + offset). Laptábla ellenőrzés: ha a lap a RAM-ban folytasd a 9. lépésnél, különben 3. lépésnél! Válassz a RAM-ban egy keretet a beolvasáshoz! Szükség esetén indítsd el a keretben lévő lap kiírását a HDD-re, majd indítsd el a szükséges lap beolvasását a keretbe! Közben a folyamat várakozó állapotba kerül, az ütemező indítson egy futásra kész folyamatot! Hardverközeli programozás 1

218

Virtuális memória kezelése 6.

7. 8.

9.

A háttérben a DMA vezérlő (kiírja) beolvassa a RAM-ba a HDD-ről a lapot és ha kész küld egy „I/O kész” megszakítást. A folyamat futásra kész állapotba kerül. Amint az ütemező újra futóvá teszi a folyamatot ismételd meg a memória igényt! A laptábla alapján fizikai cím (keret# + offset) előáll. A RAM válaszol a keresett adattal.


219

Virtuális memória kezelése Logikai cím

2 lap#

virtuális címtér (folyamat A) 0

A0

1

A1

2

A2

3

A3

4

A4

5

A5

6

A6

7

A7

8

A8

9

A9

157

Fizikai cím

?

?

Adat

keret# offset

offset

laptábla (folyamat A) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 1 0 0 1 0 1 0 0 0

4 2 1 5 -

?

fizikai címtér (RAM) 0

B1

1

A4

2

A1

3

B9

4

A0

5

A6

szabaddá tehető

háttértár 67


220


2 lap#


A0

1

A1

2

A2

3

A3

4

A4

5

A5

6

A6

7

A7

8

A8

9

A9

157

Fizikai cím

?

?

Adat

keret# offset

offset


0 1 0 0 1 0 1 0 0 0

2 1 5 -

?


B1

1

A4

2

A1

3

B9

4 5

szabaddá tehető

A6

háttértár 67


221


2 lap#


A0

1

A1

2

A2

3

A3

4

A4

5

A5

6

A6

7

A7

8

A8

9

A9

67

157

Fizikai cím

4

157

Adat 67

keret# offset

offset


0 1 1 0 1 0 1 0 0 0

2 4 1 5 -


B1

1

A4

2

A1

3

B9

4

A2

5

A6

67

háttértár


222

Modern architektúrák Futószalag végrehajtás Párhuzamos végrehajtás Szuperskalár és vektor processzorok

Flynn-féle osztályozás Osztályzás párhuzamosság szempontjából SISD (Single Instruction Single Data) pl. klasszikus korai egyprocesszoros PC-k

SIMD (Single Instruction Multiple Data) pl. vektroprocesszorok, GPU

MISD (Multiple Instruction Single Data) pl. hibatűrő rendszerek (űrrepülőgép)

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) pl. többmagos- és szuperskalár processzorok Hardverközeli programozás 1

224

„Klasszikus” architektúrák In-order (soros) végrehajtás (Neumann) A hagyományos SISD architektúrán alapuló rendszerek teljesítmény növelésének lehetőségei Órajel frekvencia növelés Közvetlen memória hozzáférés (DMA) Gyorsítótár (cache) használat Gyorsabb buszrendszer Társprocesszor alkalmazás (FPU) … Hardverközeli programozás 1

225

Dinamikus órajel szabályozás Az órajel frekvencia növelés több hő termelését és magasabb fogyasztást jelent (korlátozó tényező) Intel Turbo Boost és AMD Turbo Core Egy mag kaphat gyorsabb órajelet ha a többi mag nem terhelt (azaz határon belüli a hőtermelés) Intel SpeedStep és AMD PowerNow! Ha a mag „üresjáratban” van az órajele és a mag feszültsége csökken (energiatakarékosság)


226

Lebegő pontos egység Floating-Point Unit (FPU), matematikai társproc. Pl. Intel x87

Az egész és a lebegőpontos műveletek architekturálisan eltérnek Régen társprocesszor, ma CPU-ba integrált Külön verem struktúrájú regiszter készlet ST(0)-ST(7)

Külön utasításkészlet Pl. FADD, FMUL, FDIV, FSQRT, … Hardverközeli programozás 1

227

Utasítás-szintű párhuzamosság Utasítás-szintű párhuzamosság (ILP) technikái Futószalag-elvű végrehajtás (pipeline) Sorrenden kívüli végrehajtás (OoOE) Regiszter átnevezés

Spekulatív végrehajtás Elágazás becslés

Szuperskalár végrehajtás Nagyon hosszú utasításszó (VLIW) használat Hardverközeli programozás 1

228

Egy utasítás végrehajtás Fetch-execute ciklus Minden egyes utasítás végrehajtása több fázisra bontható: Utasítás beolvasás (IF) Utasítás dekódolás (ID) Operandus beolvasás (OF) Végrehajtás (EX) Eredmény visszaírás (WB)

Egy utasítás több órajel alatt hajtódik végre Hardverközeli programozás 1

229

Pipelining Futószalag-elvű utasítás végrehajtás Több utasítás végrehajtási is folyamatban lehet egyszerre, csak legyenek különböző fázisban Egyes processzoroknál akár 30 fázis/utasítás Egy utasítás végrehajtási ideje nem csökken Viszont az egységnyi idő alatt végrehajtott utasítások száma (áteresztőképesség, throughput) növekszik A program gyorsabban lefuthat Hardverközeli programozás 1

230

Pipelining pipeline fázis

CPU idő [órajel]

IF

1.

utasítás 1

2.

utasítás 2

utasítás 1

3.

utasítás 3

utasítás 2

utasítás 1

4.

utasítás 4

utasítás 3

utasítás 2

utasítás 1

5.

utasítás 5

utasítás 4

utasítás 3

utasítás 2

utasítás 1

6.

utasítás 6

utasítás 5

utasítás 4

utasítás 3

utasítás 2

7.

utasítás 7

utasítás 6

utasítás 5

utasítás 4

utasítás 3

8.

utasítás 8

utasítás 7

utasítás 6

utasítás 5

utasítás 4

ID

OF

EX

WB

Elméleti utasítás végrehajtási idő: 5 órajel / utasítás Elméleti áteresztőképesség: 1 utasítás / órajel Hardverközeli programozás 1

231

Hazárd A Neumann-féle szekvenciális végrehajtási elv feltételezi, hogy minden utasítás végrehajtás befejeződik a következő megkezdése előtt

Pipeline processzorokra ez nem igaz Hazárd: az a helyzet amikor ez problémát jelent Típusai Adat hazárd Strukturális hazárd Vezérlési hazárd Hardverközeli programozás 1

232

Adat hazárd Végrehajtás alatt álló utasítások ugyanazt az adatot használják/módosítják RAW (Read After Write, adat függőség) • R3 • R4

R1 + R2 R3 + R2

WAR (Write After Read, név függőség) • R3 • R2

R1 + R2 R1 + R4

WAW (Write After Write, név függőség) • R3 • R3

R1 + R2 R4 + R1 Hardverközeli programozás 1

233

Strukturális és vezérlési hazárd Strukturális hazárd Ha a processzor hardvere nem képes az utasításokat egyszerre végrehajtani Pl. az egyik utasítás IF fázisban a másik OF fázisban egyszerre címezné a memóriát Vezérlési hazárd Elágazásnál a processzor nem tudja előre hol kell folytatni a vezérlést, azaz melyik utasítást olvassa be a futószalagra Hardverközeli programozás 1

234

Hazárdok kezelése Adat hazárd kezelése Pipeline buborék Operandus/eredmény továbbítás (bypassing) Sorrenden kívüli végrehajtás (OoOE) Regiszter átnevezés

Strukturális hazárd Pipeline buborék

Vezérlési hazárd Pipeline buborék Elágazásbecslés Hardverközeli programozás 1

235

Pipeline buborék Az IF fázis után ha a vezérlő egység hazárdot észlel beszúr egy NOP utasítást, azaz késlelteti a következő utasítás futószalagra helyezését Közben az utasítás előállítja az eredményt, amit a következő utasítás a késleltetés után már be tud olvasni Buborék a pipline-ban Nő a futásidő (de még mindig gyorsabb, mint pipeline nélkül) Hardverközeli programozás 1

236

Pipeline buborék pipeline fázis

CPU idő [órajel]

IF

1.

ADD r1,r2,r3

2.

SUB r4,r5,r1

3.

ID

OF

EX

WB

ADD r1,r2,r3 SUB r4,r5,r1

ADD r1,r2,r3

4.

SUB r4,r5,r1

ADD r1,r2,r3

5.

SUB r4,r5,r1

(buborék)

ADD r1,r2,r3

6.

SUB r4,r5,r1

(buborék)

(buborék)

SUB r4,r5,r1

(buborék)

7. 8.

SUB r4,r5,r1

Az adatfüggőség két órajelnyi késlekedést okozott Hardverközeli programozás 1

237

Eredmény továbbítás Ez egyik utasítás EX fázisának outputját közvetlenül (a visszaírással egy időben) kössük rá a másik utasítás EX fázisának inputjára pipeline fázis

CPU idő [órajel]

IF

1.

ADD r1,r2,r3

2.

SUB r4,r5,r1

3.

ID

OF

EX

WB

ADD r1,r2,r3 SUB r4,r5,r1

ADD r1,r2,r3

4.

SUB r4,r5,r1

ADD r1,r2,r3

5.

SUB r4,r5,r1

(buborék)

ADD r1,r2,r3

SUB r4,r5,r1

(buborék)

6. 7.

SUB r4,r5,r1 Hardverközeli programozás 1

238

Sorrenden kívüli végrehajtás Out-of-Order Execution (OoOE) Az utasítások nem a programban szereplő felírás sorrendjében hajtódnak végre Az az utasítás hajtódik végre először amelyiknek hamarabb állnak elő a bemeneti adatai A processzor próbálja elkerülni az üresjáratot az utasítások átrendezésével Hardveresen gyorsított újrafordítás Viszonylag nagy utasítás ablak Hardverközeli programozás 1

239

Sorrenden kívüli végrehajtás Utasítás beolvasása a memóriából Az utasítás beáll egy utasítás sorba és vár Az utasítássorból az távozik először, akinek elérhetőek az input operandusai A távozó utasítás végrehajtásra kerül Az eredmény bekerül egy eredmény sorba, vár Az adott utasítás eredménye csak akkor kerül ki a sorból (és íródik be a regiszterfájlba), ha minden idősebb utasítás eredménye már kikerült Hardverközeli programozás 1

240

Regiszter átnevezés A név függőség (WAR és WAW hazárd) esetén egy utasítás eredménye felülírna egy még szükséges értéket, mivel nincs korlátlan számú „üres” regiszter A regiszter átnevezés révén ez elkerülhető Az utasításkészlet az architekturális regiszterfájl elemeire hivatkozik Ezt egy speciális áramkör leképezi egy nagyobb méretű hardveres regiszterfájlra Hardverközeli programozás 1

241

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8

Eredeti kód: ADD r3, r1, r2 LDR r4, [r3] SUB r3, r5, r6 STR [r7], r3 RAW hazárd

WAR hazárd

r3

átnevező logika

hw8

Átnevezés utáni kód: ADD hw3, hw1, hw2 LDR hw4, [hw3] SUB hw8, hw5, hw6 STR [hw7], hw8 WAR hazárd mentes Hardverközeli programozás 1

hw1 hw2 hw3 hw4 hw5 hw6 hw7 hw8 hw9 hw10 hw11 hw12

Hardveres regiszterek

Architekturális regiszterek

Regiszter átnevezés

Átrendezés utáni kód: ADD hw3, hw1, hw2 SUB hw8, hw5, hw6 LDR hw4, [hw3] STR [hw7], hw8 Hazárd mente 242

Spekulatív végrehajtás Olyan műveletek végrehajtása, amely lehet hogy nem is szükséges Ha később kiderül, hogy a művelet nem volt szükséges, akkor az eredményt eldobjuk Nincs üresjárat pipeline processzor esetén Változatok Mohó végrehajtás (pl. elágazásnál mindkét ág végrehajtása, ha kiderül melyik szükséges azt megtartjuk)

Jósló végrehajtás (pl. elágazás becslés) Hardverközeli programozás 1

243

Elágazás becslés Feltételes ugró utasításnál melyik a következő utasítás amit be kell tenni a pipeline-ba? Külön áramkör próbálja megbecsülni melyik ágat kell majd végrehajtani Elkezdődik a jósolt ág végrehajtása Ha kiderül, hogy a jóslat hibás a műveletek eredménye visszavonódik, egyébként időt spóroltunk (nem kellett várakozni) A pipeline hosszával (akár 30 is lehet) nő az igény a jó elágazásbecslésre Hardverközeli programozás 1

244

Szuperskalár processzorok Több utasítás végrehajtása egy órajel alatt Egy processzor magban több műveleti egység ILP és OoOE szekvenciális program esetén CPU idő [órajel] 1. 2. 3. 4. 5.

IF utasítás 1 utasítás 2 utasítás 3 utasítás 4 utasítás 5 utasítás 6 utasítás 7 utasítás 8 utasítás 9 utasítás 10

ID

pipeline fázis OF

EX

WB

utasítás 1 utasítás 2 utasítás 3 utasítás 4 utasítás 5 utasítás 6 utasítás 7 utasítás 8

utasítás 1 utasítás 2 utasítás 3 utasítás 4 utasítás 5 utasítás 6

utasítás 1 utasítás 2 utasítás 3 utasítás 4

utasítás 1 utasítás 2


245

Vektor processzorok A CPU egy utasítást hajt végre egyszerre adatok egydimenziós tömbjén (SIMD) Nagy méretű regiszterek használata (több önálló adatot is tárol egyszerre) Újabb utasítások bevezetése ezek kezelésére Példák MMX (Intel) 3DNow! (AMD) SSE AVX Hardverközeli programozás 1

246

Vektor processzorok Skalár processzor logika Ismételd 10-szer! Olvasd be a következő utasítást! Olvasd be ezt és azt a számot! Add össze őket! Mentsd el az eredményt! Ciklusvég

Vektor processzor logika Olvasd be Olvasd be Add össze Mentsd el

az utasítást! ezt a 10 és azt a 10 számot! őket! az eredményeket! Hardverközeli programozás 1

247

Vektor processzorok MultiMedia eXtension (MMX) 64 bites regiszter (int: 1x64, 2x32, 4x16, 8x1) 8 darab (MM0-MM7) Alias-ok FPU regiszterekre (konkurenciát okoz) 3DNow! (AMD továbbfejlesztés) float-ot is használ Streaming SIMD Extensions (SSE) 128 bites regiszter (float: 4x32) 8 vagy 16 darab (XMM0-XMM15) 70 új utasítás Hardverközeli programozás 1

248

Vektor processzorok SSE2 128 bites regiszter (float: 2x64, 4x32; int: 2x64, 4x32, 8x16, 16x8) SSE3, SSE4 Újabb utasítások (+13, +47) Advanced Vector eXtensions (AVX) 256 bites regiszter (float) 8 vagy 16 darab (YMM0-YMM15) Hardverközeli programozás 1

249

Vektor processzorok AVX2 int és float adatokra is Új utasítások AVX-512 512 bites regiszter (int, float) 32 darab (ZMM0-ZMM31) AVX-512 512 bit

AVX 256 bit

ZMM0

YMM0


MMX SSE 128 bit 64 bit

XMM0

MM0

250

VLIW processzorok Very Large Instruction Word Olyan speciálisan fordított programot igényel, amely explicit módon jelzi a párhuzamosan végrehajtható utasításokat Egy „utasítás” (ún. köteg) több kisebb, de egyszerre végrehajtható utasítást tartalmaz Szuperskalár ILP és OoOE Egyszerűbb hardver bonyolultabb fordító Utód: Explicitly Parallel Instruction Computing Hardverközeli programozás 1

251

Többmagos processzorok Egy integrált áramköri lapon több önálló feldolgozó egység kap helyet N mag esetén jobb teljesítmény és kisebb fogyasztás mint N darab egymagos CPU esetén Általában saját L1 (esetleg L2) cache, de közös L3 Cache koherencia probléma

Párhuzamos szál/folyamat futtatás (MIMD) Taszk-szintű párhuzamosság Az operációs rendszernek támogatnia kell Hardverközeli programozás 1

252

Hyper-threading Az Intel SMT (Simultaneous MultiThreading) megvalósítása Több szál kezelése magon belül Több „állapottároló” processzor elem Egy „végrehajtó” elem

Ha egy szálnak várnia kell, addig fusson a másik Minden „fizikai” mag két „logikai” magként viselkedik Az operációs rendszernek támogatás fontos Hardverközeli programozás 1

253

Többprocesszoros rendszerek Számítógép rendszer több processzorral Megosztott (shared) vagy szétosztott (distributed) memória Többmagos processzor: speciális megosztott memóriás többprocesszoros rendszer Programozás OpenMP (shared memory model) Open MPI (message passing) OGE / SGE (cluster computing) Hardverközeli programozás 1

254

NUMA architektúra

CPU

CPU busz

összeköttetés

busz RAM

RAM Hardverközeli programozás 1

csomópont 2

csomópont 1

Non-Uniform Memory Access (nem egységes memória hozzáférés) Processzorokhoz saját memória tartozik, de elérheti másik processzor memóriáját is A memóriaelérés ideje függ a memória helyétől Egyszerre több memóriaművelet is végezhető

255

Amdahl törvénye N darab processzor (szál) használata nem eredményez N-szeres gyorsulást egy folyamat végrehajtásában

ahol S a gyorsulás, T a futásidő és A a futásidő soros végrehajtású hányada 0≤A≤1

gyorsulás (S)

A=0,1

Írja be az egyenletet ideHardverközeli programozás 1

A=0,2 A=0,5 processzor szám (N) 256

Grafikus feldolgozó egység Graphics Processing Unit (GPU) Feladat: textúrák kezelés, képek renderelés, 3D grafika gyorsítás, videó kódolás, … Integrált vagy külön videokártya Gyártók: nVIDIA és ATI (AMD) Egyszerű, kis utasításkészlet Nagy számítási kapacitás (párhuzamos, SIMD) Saját memóriája lehet Csatlakozás: AGP, PCIe VGA, DVI, HDMI Hardverközeli programozás 1

257

Általános célú GPU General-Purpose GPU (GPGPU) A GPU átvesz számításokat a CPU-tól Programozás OpenCL CUDA MATLAB

Accelerated Processing Unit (APU) CPU és GPU elemekből felépülő processzor


258

FPGA Field-Programmable Gate Array Programozható logikai áramkör Újrakonfigurálható rendszer Speciális nyelvek: VHDL, Verilog Természeténél fogva párhuzamos működés Létezik processzorba integrált FPGA Szoft processzor FPGA-n implementált processzor architektúra Hardverközeli programozás 1

259

Intel x86 architektúra Processzor felépítés Memóriakezelés Assembly nyelv

Kezdetek Az Intel 1976-78 között fejlesztette ki az „új” Intel 8086 névre hallgató processzorát Később ezt fokozatosan tovább fejlesztették Intel 80186 (1982) Intel 80286 (1982) Intel 80386 (1986) Intel 80486 (1989) …, a folyamat máig tart Az új processzorok visszafelé kompatibilisek

Ma a processzorcsaládra x86 néven hivatkozunk Hardverközeli programozás 1

261

Memória szegmentáció A memória részekre van osztva Kód szegmens Adat szegmens Verem szegmens Extra szegmens

A címzést külön regiszterek segítik (CS, DS, SS, ES) Címzés: szegmens kezdőcím + eltolás Memóriakezelés Valós-, védett-, virtuális-, hosszú mód Hardverközeli programozás 1

262

Memória szegmentáció Valós mód 8086-ban csak ez van 20 bites címbusz (1MB) Szegmens méret 64kB (16 bit) Minden memóriacím elérhető korlátozás nélkül Ilyen módban indul a processzor Lineáris cím = szegmenscím*16 + offset Lineáris cím = fizikai cím Szegmens kezdőcím (16 bit)

+

Eltolási cím (16 bit) Lineáris kezdőcím (20 bit)


263

Memória szegmentáció Védett mód 80386 vezeti be Korlátozott memóriahozzáférés Címtér 32 bites (<= 4GB) Virtuális memória támogatás Lineáris cím (32) = szegmenscím (32) + offset (16/32) Lineáris cím lapozás fizikai cím

Virtuális mód (látszólagos valós mód 80386-tól) Hosszú mód (64 bites, nincs szegmentálás) Hardverközeli programozás 1

264

x86 regiszterkészlet AX 31

15

AH

7

AL

0

EAX EBX ECX EDX SI DI BP SP

ESI EDI EBP ESP CS DS SS

ES FS GS

EIP

IP

EFLAGS

FLAGS Hardverközeli programozás 1

265

x86 regiszterkészlet Fő regiszterek (általános célú regiszterek, GPR) EAX Elsődleges akkumulátor, szorzás, osztás

EBX Akkumulátor, bázis mutató DS-ben

ECX Akkumulátor, (ciklus)számláló

EDX Akkumulátor, input/output, szorzás, osztás Hardverközeli programozás 1

266

x86 regiszterkészlet Index regiszterek (általános célú regiszterek, GPR) ESI Sztring műveletek forrás indexe, DS regiszterrel

EDI Sztring műveletek cél indexe, ES regiszterrel

ESP Verem tetején lévő elemet címzi, SS regiszterrel

EBP Lokális változókhoz, paraméterekhez, SS regiszterrel Hardverközeli programozás 1

267

x86 regiszterkészlet Szegmens regiszterek CS Kód szegmens kezdőcíme, IP ebben címzi az utasítást

DS Adat szegmens kezdőcíme (statikus változók)

SS Verem szegmens kezdőcíme, ESP és EBP használja

ES, FS, GS Extra adat szegmens, EDI alap szegmense az ES Hardverközeli programozás 1

268

x86 regiszterkészlet EFLAGS regiszter Állapot bitek Vezérlő bitek Rendszer bitek 31

30

29

28

27

26

25

24

0

0

0

0

0

0

0

0

23

22

21

20

19

18

17

16

0

0

ID

VIP

VIF

AC

VM

RF

15

14

13

12

11

10

9

8

0

NT

OF

DF

IF

TF

7

6

5

4

3

2

1

0

SF

ZF

0

AF

0

PF

1

CF

IOPL


269

x86 regiszterkészlet Utasítás számláló IP (Instruction pointer) CS regiszter révén a kód szegmensben található utasításokat címzi Minden „fetch-execute” ciklus során inkrementálódik az adott utasítás hosszával (kivéve vezérlésátadás)

Egyéb regiszterek Vannak további működést segítő regiszterek Programozó elől rejtettek Hardverközeli programozás 1

270

X87 regiszterkészlet Lebegőpontos egység (matematikai társprocesszor) 8 darab 64 bites regiszter (ST(0)-ST(7)) Veremszerű működés Dupla pontosságú lebegőpontos reprezentáció Regiszterenként 2 további bit 00 érvényes, 01 nulla, 10 speciális (Inf, NaN), 11 üres

16 bites állapot regiszter (pl. OE, UE, ZE, TOS, B, DE) 16 bites vezérlő regiszter (pl. RC, PC) 48 bites programszámláló és adat mutató Hardverközeli programozás 1

271

x86-64 architektúra Visszafelé kompatibilis az x86 (IA-32) architektúrával 64 bites általános célú regiszterek (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSP, RIP, RSI, RDI, R8-R15) 64 bites virtuális címek (implementációban 48) 48 bites fizikai címzés (256TB) (bővíthető 52 bitig) Nincs memória szegmentáció Működési módok Long mode, Legacy mode (real, protected, virtual) Hardverközeli programozás 1

272

Input-Output Portra leképezett I/O (PMIO) 16 bites I/O címek (0h-FFFFh) Külön utasítások (in, ins, out, outs,stb.) Egy eszközhöz több port is tartozhat Adat, Utasítás, Állapot

I/O porton elérhető fontosabb eszközök: DMA vezérlő, programozható megszakítás kezelő (8259A), időzítő (8254), billentyűzet (8042), valós idejű óra, matematikai társprocesszor, PATA vezérlő, stb.

Linux: /proc/ioports Hardverközeli programozás 1

273

Szintaxis Intel szintaxis

AT&T szintaxis

.intel_syntax noprefix .globl main main: push ebp mov ebp, esp sub esp, 16 mov DWORD PTR [ebp-16], 2 mov DWORD PTR [ebp-12], 3 cmp DWORD PTR [ebp-16], 4 jne .L2 mov eax, DWORD PTR [ebp-12] mov DWORD PTR [ebp-8], eax jmp .L3 .L2: mov DWORD PTR [ebp-8], 4 .L3: mov eax, DWORD PTR [ebp-8] add esp, 16 pop ebp ret

.att_syntax .globl main main: pushl movl subl movl movl cmpl jne movl movl jmp .L2: movl .L3: movl addl popl ret


noprefix %ebp %esp, %ebp $16, %esp $2, -16(%ebp) $3, -12(%ebp) $4, -16(%ebp) .L2 -12(%ebp), %eax %eax, -8(%ebp) .L3 $4, -8(%ebp) -8(%ebp), %eax $16, %esp %ebp

274

Utasítások 8086: 114 utasítás 80186: +15 (új és bővített) 80286: +17 80386: +66 80486: +6 8087: +83 80287: +1 80387: +12 +Pentium, +MMX, +SSE, +AVX, +egyéb (∞) Hardverközeli programozás 1

275

Operandusok Operandusok Regiszter (8, 16, 32 bites) Konstans (8, 16, 32 bites) Memória tartalom

Memória cím és méret kényszerítés mov mov mov

al, BYTE PTR [ebx] ax, WORD PTR [ebx] eax, DWORD PTR [ebx]


276

Címzési módok Regiszteres Közvetlen adat Közvetlen cím Közvetett regiszteres Regiszter relatív Bázisos indexelt Bázis+index relatív Skálázott Szegmens előtag

mov ax, bx mov ax, 7Fh mov ax, [1234] mov ax, [bx] mov ax, [bx + 100h] mov ax, [bx + si] mov ax, [bp + di + 123] mov ax, [si * 4 +10h] mov ax, [es:bx]


277

Címzési módok Effektív cím (EA) megadás alakjainak összegzése , : : . : : / : 0 : 12 34 5 Szegmens szelektor

6 76 ,6 .6 8 .8 79 9 12 34 5 Bázis

6 76 ,6 .6 ∗ 8 .8 79 12 34 5 Index

1 2 4 8 12 34 5 Skálázó faktor

>?@>á4 4 55

Eltolás

Példa: mov EAX, [DS:EBP+EDI*4+10h]

vagy ugyanaz más írásmódban: mov EAX, DS:10h[EBP][EDI*4] Hardverközeli programozás 1

278

Alprogram hívási konvenció Hívó szabályai Paraméterek fordított sorrendben verembe helyezése (esetleg az alábbi sorrendben regiszterekbe: edi, esi, edx, ecx, …) Alprogram hívás (visszatérési cím a verembe kerül, programszámláló átáll az alprogram kezdőcímére) Visszatérés után veremből paraméterek kivétele Visszatérési érték az eax regiszterben van Hardverközeli programozás 1

279

Alprogram hívási konvenció Hívott szabályai Bázis pointer verembe mentés Verem mutató mentése bázis pointerbe Helyfoglalás lokális változóknak a veremben Használandó regiszterek mentése a verembe Visszatérési érték az eax regiszterbe tétele Mentett regiszterek és verem visszaállítás Visszatérés (a veremben lévő címre) Hardverközeli programozás 1

280

A C nyelv és az assembly Inline assembly C-ben asm(” mov eax, 10 ”); C forráskód fordítás assembly-re gcc-vel gcc -S -masm=intel prog.c Kimenet: prog.s Assembly forráskód fordítás gcc-vel gcc prog.s Kimenet: a.out Hardverközeli programozás 1

281

Képernyőre írás lehetőségei .TEXT:.string

"This is a text.\n"

...

# printf("This is a text.\n"); mov eax, 0 mov edi, OFFSET FLAT:.TEXT call printf # puts("This is a text.\n"); mov edi, OFFSET FLAT:.TEXT call puts # write(1,"This is a text.\n",16); mov edi, 1 mov esi, OFFSET FLAT:.TEXT mov edx, 16 call write # interrupt mov eax, 4 mov ecx, OFFSET FLAT:.TEXT mov edx, 16 int 0x80 Hardverközeli programozás 1

282

Intel 8086 Megjelenési év 1978 16 bites regiszterek 20 bites fizikai cím (1MB) 5-10 MHz órajel 3000nm technológia 29 000 tranzisztor 40 tűs DIP tokozás DMA támogatás Hardverközeli programozás 1

283

Intel 80386 Megjelenési év 1986 32 bites regiszterek 4GB-os címtér 12-40 MHz órajel 1500-1000nm technológia 275 000 – 855 000 tranzisztor 132 tűs PGA tokozás Cache, virtuális memória kezelés, pipeline Hardverközeli programozás 1

284

Intel Pentium Megjelenési év 1993 32 bites regiszterek 4GB-os címtér 60-300 MHz órajel 800-250nm technológia 3 100 000 – 4 500 000 tranzisztor 273 tűs Socket 4; 321 tűs Socket 7 aljzat Szuperskalár, MMX, L2 cache, integrált FPU Hardverközeli programozás 1

285

Intel Pentium 4 Megjelenési év 2000 32 bites regiszterek Mikroarchitektúra: NetBurst 1300-3800 MHz órajel 180-65nm technológia 42 – 188 millió tranzisztor Socket 423 vagy Socket 478 aljzat SSE3, 20-31 szintű futószalag, elágazásbecslés, HyperThread Hardverközeli programozás 1

286

Intel Core i7 Megjelenési év 2008 64 bites regiszterek (x86-64) Mikroarchitektúra: Nehalem, Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell, Broadwell 45-14nm technológia 2-6 mag LGA aljzat (1000-2000 kontaktus) L3 cache, integrált GPU, AVX-512, integrált NorthBridge Hardverközeli programozás 1

287

Más architektúrák ARM 32/64 bites RISC, pl. Raspberry Pi Transmeta Crusoe alacsony fogyasztás, szoftveres ISA, VLIW MIPS 32/64 bites RISC, pl. PlayStation 2 Motorola 68000 Régi, de él. Pl. PLC-k, Apple Macintosh Microchip PIC Harvard architektúra, mikrokontroller Hardverközeli programozás 1

288

High-Performance Computing HPC - TOP 1 (2015) Tienhe-2 (Tejút 2) Kína, Guangzhou 33,86 TFLOPS számítási kapacitás 32 000 Intel Xeon (2.2GHz) + 48 000 Xeon Phi 3 120 000 mag 1375 GB memória 12400 TB háttértár 390 000 000 USD 17,6 MW fogyasztás Hardverközeli programozás 1

289

HARDVERKÖZELI PROGRAMOZÁS1

Recommend Documents