Maskinarkitektur. Lars Kristensen Christian Storm dmasark 1

Transkript

1 Maskinarkitektur Lars Kristensen Christian Storm dmasark 1

2 Praktiske oplysninger dmasark 2

3 Forelæsninger Tirsdag , Store Aud, IT-huset. Torsdag , Store Aud, IT-huset. dmasark 3

4 Undervisningsmateriale Andrew S. Tanenbaum Structured Computer Organisation (SCO) 5. udgave, Prentice-Hall, 2005 ISBN: Uddrag fra bog om C programmering. Noter og vejledninger som kan hentes via www-siderne. dmasark 4

5 Øvelser Hold 1: torsdag 14-18, Stibitz-123 Hold 2: mandag 8-12, Stibitz-123 Hold DA1: torsdag 8-12, Stibitz-123 Hold DA3: onsdag 8-12, Stibitz-123 Hold DA4: tirsdag 14-18, Stibitz-123 Holdbytte kun muligt hvis man har en at bytte med! dmasark 5

6 Ugesedler og opgaver Ugeseddel for uge x offentliggøres på hjemmesiden tirsdag eftermiddag i uge x-1. Der trykkes ikke ugesedler. Tavle- og diskussionsopgaver Ugeopgaver Ugeopgaver er obligatoriske og skal laves i grupper. Dan grupper af 2-3 personer allerede i denne uge! Grupper kan ikke gå på tværs af øvelseshold. dmasark 6

7 Eksamen Kræver at samtlige seks ugeopgaver er godkendt. Eksamen er mundtlig, uden forberedelsestid og varer 20 minutter/studerende (inklusiv karaktergivning). Eksamensspørgsmålene vil tage udgangspunkt i ugeopgaverne. Medbring en kopi af besvarelser af ugeopgaverne med instruktorens kommentarer. dmasark 7

8 ? dmasark 8

9 Maskinarkitektur Målbeskrivelse At give den studerende kendskab til computerens opbygning og virkemåde. Herunder hvorledes en computer kan opfattes som niveauer af abstrakte maskiner [...] Indhold Vi beskriver computeren som niveauer af abstrakte maskiner, og ser hvorledes disse niveauer typisk anvendes og realiseres i hardware og software [...] dmasark 9

10 Rigtige maskiner transistorer 1948 integrerede kredsløb, 1958 Difference,Analytical Engine, Babbage, 1834 ENIAC, Mauchley, Eckert, 1946 PDP-1, DEC, 1960 PDP-11, DEC, 1970 VLSI, 1980 IBM PC, 1981 dmasark 10

11 Typisk opbygning von Neumann maskinarkitektur: First Draft of a Report on the EDVAC, John von Neumann, 1946 Maskiner Afvikle programmer gemt i lageret/hukommelsen. Programmer skrives i et programmeringssprog dmasark 11

12 Virtuelle / Abstrakte Maskiner.. en virtuel maskine kan programmeres som en fysisk maskine. dmasark 12

13 Fornuftige spørgsmål om en maskine 1. Hvad skal maskinen bruges til? 2. Hvordan programmeres maskinen? 3. Hvordan er maskinen opbygget?... i dmasark vil vi undersøge de forskellige niveauer udfra disse spørgsmål, fokus afhænger af niveau... dmasark 13

14 Niveau 5: Højniveausprog Java, C, C++, Pascal, Modula-2, Algol-60, Fortran,... Begreber variabler, typer, værdier,.. tildelingssætninger, if-then-else, while,.. procedurer, funktioner, klasser, objekter,... Programmet er statisk, mens udførelsen er dynamisk k = 6 - i j; værdier gemmes i variabler som ændres under udførelsen. dmasark 14

15 Eksempel - Towers of Hanoi Problem: Flyt n skiver fra pind 1 til 3... Algoritme: - flyt n-1 skiver fra pind 1 til 2 - flyt 1 skive fra pind 1 til 3 - flyt n-1 skiver fra pind 2 til 3 dmasark 15

16 Eksempel - Towers of Hanoi C kode /* towers.c */ #include <stdio.h> void towers(int n, int i, int j) { int k; Java kode /* towers.java */ public class towers { public static void towers(int n, int i, int j) { int k; } if (n == 1) printf ("Move a disk from %d to %d\n", i, j); else { k = 6 - i - j; towers(n-1, i, k); towers(1, i, j); towers(n-1, k, j); } int main(int argc, char *argv[]) { towers(3, 1, 3); } } if (n == 1) System.out.println ("Move a disk from " + i + " to " + j); else { k = 6 - i - j; towers(n-1, i, k); towers(1, i, j); towers(n-1, k, j); } } public static void main(string[] args) { towers(3, 1, 3); } dmasark 16

17 Niveau 4: Symbolsk maskinsprog Højniveausprog oversættes til symbolsk maskinsprog gcc -S towers.c javac towers.java; javap -c towers > towers.code Begreber ordrenavne movl $6,%edx registernavne %edx, %eax, %ebp, %esp etiketter (labels).towers,.l3: operander $-4, 16(%ebp) direktiver.string Move... dmasark 17

18 towers.s.section.rodata.lc0:.string "Move a disk from %d to %d\n".text.align 4.globl towers.type towers,@function towers: pushl %ebp movl %esp,%ebp subl $24,%esp cmpl $1,8(%ebp) jne.l3 addl $-4,%esp movl 16(%ebp),%eax pushl %eax [ ].L3: movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp) addl $-4,%esp movl -4(%ebp),%eax pushl %eax movl 12(%ebp),%eax pushl %eax movl 8(%ebp),%eax decl %eax pushl %eax call towers addl $16,%esp addl $-4,%esp [ ] dmasark 18

19 Pentium ordrer.l3: movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp) [ ] dmasark 19

20 Pentium Registre Værdier kan lagres i registre... k = 6 - i j; movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp) dmasark 20

21 Pentium Stak Værdier kan lagres også på stakken... k = 6 - i j; movl $6,%edx movl %edx,%eax subl 16(%ebp),%eax movl %eax,%edx subl 12(%ebp),%edx movl %edx,-4(%ebp) Hver instans af towers har sin eget stakafsnit (stack frame) som udpeges af ebp registret. dmasark 21

22 towers.code Method void towers(int, int, int) 0 iload_0 1 iconst_1 2 if_icmpne 42 5 getstatic #2 8 new #3 11 dup [ ] 29 iload_2 30 invokevirtual #7 33 invokevirtual #9 36 invokevirtual #10 39 goto bipush 6 44 iload_1 45 isub 46 iload_2 47 isub 48 istore_3 49 iload_0 50 iconst_1 51 isub 52 iload_1 53 iload_3 [ ] dmasark 22

23 JVM ordrer 42 bipush 6 44 iload_1 45 isub 46 iload_2 47 isub 48 istore_3 dmasark 23

24 JVM Stak JVM giver kun mulighed for at lagre værdier på en stak k = 6 - i j; bipush 6 // 6,... iload_1 // i,6,... isub // 6-i,... iload_2 // j,6-i,... isub // 6-i-j,... istore_3 //... dmasark 24

25 IJVM.. simplificering Java s Virtuelle Maskine (JVM): dmasark 25

26 Virtuelle / Abstrakte Maskiner dmasark 26

27 Niveau 2: Maskinniveau (ISA).. programmer i symbolsk maskinsprog oversættes til absolut maskinkode. von Neumann arkitektur Program lagres som en sekvens af bitmønstre (absolut maskinsprog). Begreber lager, lagerceller, registre, ordrer, ordreformat,... dmasark 27

28 Pentium ordreformat movl $6,%edx dmasark 28

29 JVM / IJVM ordreformat bipush 6 svarer til = 0x10 0x6 dmasark 29

30 Udførelse af maskinordrer.. via fetch-decode-execute cycle: En aritmetisk/logisk enhed styres af en kontrolenhed... En program counter udpeger den aktuelle ordre i lageret... Typisk via et mikroprogram, der fortolker den aktuelle ordre... dmasark 30

31 Niveau 1: Mic-1 Mikroarkitektur.. fortolkning af maskininstruktioner: Begreber Busser, registre, dataoverførsel, kontrollager, mikroordrer, klok cykler, fetch-decode-execute, dmasark 31

32 Mikroprogrammer 0x64 isub pop two words from stack; push their difference: bipush 20 // 20,... bipush 12 // 12,20,... isub // 8,... Main1 PC=PC+1; fetch; goto (MBR)... isub1 MAR=SP=SP-1; rd isub2 H=TOS isub3 MDR=TOS=MDR-H; wr; goto Main1 dmasark 32

33 Niveau 0: Det Digital Niveau Begreber Porte (gates), kombinatoriske kredsløb, lagerkredse, bit, digitale værdier,... dmasark 33

34 Kombinatoriske kredsløb og lagre 8-bit ALU 1-bit ALU Clocked D-latch dmasark 34

35 Opsummering Kap: 2, 5, 7 (2.) Kap 2, 4, 5 (1.) Kap 4 (3.) Kap 3 (4.) dmasark 35