Il Linguaggio Macchina
Come funziona l’elaboratore? Un programma (sequenza di istruzioni)
viene caricato in memoria centrale Si alloca lo spazio per i dati necessari al
programma La CPU estrae le istruzioni e dati dalla
memoria centrale, le decodifica e le esegue utilizzando registri interni (accesso veloce)
L’esecuzione può comportare il trasferimento di dati in input e output tra memoria centrale e periferiche attraverso il bus di sistema
Elaboratore Ideale di Von Neumann
2:1:0:
:
RAM
decoder
RIC
PC
ACC
ALU
CPU
Registri Registro istruzione corrente (RIC)
contiene l’istruzione correntemente eseguita Contatore di Programma (PC)
indirizzo della prossima istruzione da eseguire Accumulatore (ACC)
Contiene valori utilizzati durante operazioni Decoder
Decodifica codice istruzione
Istruzioni della Macchina Le istruzioni della macchina sono
codificate in forma numerica ed inserite insieme agli altri dati nella memoria centrale
Istruzione = operazione di base sui registri e sulla RAM
Codifica delle istruzioni = Elenco ordinato Identificatore di un istruzione ~ Numero
d’ordine
Rappresentazione RAM
Utilizzeremo la notazione RAM[0] RAM[1] ...
Per rappresentare le celle della RAM(RAM[i]=contenuto della cella con indirizzo i)
Operatori e parametri Alcune istruzioni richiedono un parametro che
viene passato al momento della esecuzione Per rappresentare codice + operandi possiamo
utilizzare una codifica del tipo: In decimale:
CODICE*N+OPERANDO dove N dipende dalla grandezza delle celle di memoria
ad es. 2*1000+5=205 identifica l’istruzione2 con parametro N=5
In binario: sequenza di bit composta da CODICE OPERANDO (es. 0010 0101)
Esempio di set istruzioni Istruzione 1 con parametro N
Nuovo valore del reg. ACC = ACC + RAM[N] Istruzione 2 con parametro N
Nuovo valore di RAM[N] = ACC Istruzione 3 con parametro N
Se ACC=0 allora nuovo PC = N Istruzione 4 con parametro N
Nuovo valore di ACC = RAM[N] Istruzione 5: termina l’esecuzione
Programma in Linguaggio Macchina
Sequenza di istruzioni codificate Un programma viene interpretato infatti
sequenzialmenteattraverso il registro PC che identifica la prossima istruzione da eseguire
L’istruzione 3 permette di saltare in un qualsiasi punto del programma
Per capire meglio occore introdurre il ciclo di interpretazione dei programmi
Stato iniziale della macchina Supponiamo di aver caricato le
istruzioni nella RAM a partire dalla cella con indirizzo 0
Inoltre supponiamo di avere a disposizione una tabella che ci permette di recuperare l’istruzione e i relativi parameteri a partire dal suo encoding (Codice*N+Parametro)
Esecuzione tramite ciclo di fetch
Inizializzazione: memorizza 0 nel registro PC Ciclo di Fetch:
1. Recupera il valore nella cella con indirizzo PC nella RAM e lo memorizza nel registro RIC (registro istruzione corrente)
2. Somma 1 al valore contenuto in PC e lo memorizza in PC
3. Decodifica il valore contenuto in RIC (estrae il codice operazione e il parametro)
4. Esegui l’istruzione 5. Torna al punto 1 a meno che l’istruzione non sia
quella di `fine programma’
Osservazioni Il ciclo di fetch permette di eseguire
programmi in modo sequenziale: Prima istruzione RIC = RAM[0] Incremento PC Istruzione seguent RIC = RAM[1], ecc.
Posso ottenere dei cicli ottengono cambiando il valore del registro PC tramite l’istruzione 3 …PC = …
Esempio di programma Considerate la seguente conf. iniziale della RAM:
RAM[0]= 4004 RAM[1]= 1005 RAM[2]= 2004 RAM[3]= 5 RAM[4]= 21 RAM[5]= 9
dove Istr. 1: ACC ’ = ACC + RAM[N] Istr. 2: RAM[N] ’ = ACC Istr. 4: ACC ’ = RAM[N] Istr. 5: termina esecuzione (N=parametro)
Cosa fa il programma?
Soluzione Il programma precedente esegue i seguenti
passi: Copia il valore della cella 4 (=21) nel reg. ACC Somma il val. della cella 5 (=9) al valore in ACC e lo
memorizza di nuovo in ACC (=30) Copia il valore del reg. ACC nella cella 4 (=30)
Alla fine abbiamo che: ACC e RAM[4] contengono 30 RAM[5] contiene ancora 9
Operazioni cicliche Per simulare un ciclo dobbiamo usare
Istr. 3: se ACC=0 allora PC ’=N Istr. 6: PC ’ = N
Esempio ciclo che va da 5 a 0: RAM[0] = 4004 (ACC=5 nota: programma
come dato!) RAM[1] = 3004 (se ACC=0 go to 4) RAM[2] = 1006 (ACC’=ACC-1) RAM[3] = 6001 (go to 1) RAM[4] = 5 (halt) RAM[5] = 1 RAM[6] = -1
Nomi mnemonici Per semplificare la lettura delle istruzioni
associamo dei nomi mnemonici ai codici delle istruzioni
Il nostro primo esempio si potrebbe scrivere come
RAM[0]= LOAD 4 RAM[1]= SUM 5 RAM[2]= MOVE 4 RAM[3]= HALT RAM[4]= 21 RAM[5]= 9
LOAD rappresenta il codice 4 ecc.
Istruzioni come dati Supponiamo che una cella della RAM
contenga l’istruzione MOVE 4 MOVE 4 rappresenta in realtà un numero Nella nostra codifica decimale
Se codice di MOVE è 2 2*1000 + 4 = 2004
Tale codifica semplifica i nostri calcoli ma non rispecchia i valori realmente memorizzati nella RAM dove si ragiona in binario
Istruzioni come dati Le istruzioni in memoria sono in realtà
codificate in binario Ad esempio supponiamo di utilizzare
un byte per il codice e uno per l’argomento MOVE 4 viene rappresentato come
00000010 00000100 Cioe’ 2*28+4 = 516 (28 rappresenta il
numero di bit che aggiungiamo a destra del codice)
Istruzioni come dati
Indipendentemente dalla codifica è importante notare che le istruzioni possono essere trattate
come dati MOVE 4 diventa 2004
e i dati come istruzioni Il numero 2004 diventa MOVE 4
Programmi automodificanti La CPU applica il ciclo di fetch e
decodifica in modo indiscriminato istruzioni o dati
Si possono definire programmi automodificanti che utilizzano dati come istruzioni
Nella macchina di Von Neumann alcuni problemi si possono risolvere solo con programmi automodificanti
Esempio
Un tipico problema in cui occorre modificare le istruzioni durante l’esecuzione Allocare K celle di RAM consecutive
con valori letti in ingresso dove K è a sua volta un numero in
ingresso (input)