Comp. Arch. Lecture 1

תמליל

1 א ר כי טקטור ת מ ח ש בים ד"ר טל שיקלר סו ב ול אימייל:

2 Mother board לוח אם

3 CPU central processing unit מעבד

4 דוגמאות: 80x86 ו תואמיו Intel 80x86 Intel Core 2 Duo 64 bits 80x86 compatible AMD Athlon (technically different) 80x86 compatible

5 ארגון המ חשב ו שפת סף (אסמ ב לי) כל פעולות המחשב מתבצעות באמצע ות הוראות תוכנית לאחר שתורגמו לשפת מכונה. הארכיטקטורה - שפת הסף (Assembly)

6 מה נל מד ב קו רס? High-Level Languages, e.g. ML Compiled Languages, e.g. C++ Assembly Languages Programs Machine Code/ Architecture Computer Organization Level Digital Logic Level Transistors & Layout Materials/ Physics Physical Layers

7 דוגמה : A=A+B 0 3 c

8 למ ה ל למ ו ד? הבנת מנגנוני הפעולה של המחשב: המכונה הבנת נושאים שונים במד עי המחשב ובשפות עיליות ארכיטקטורה ייצוג המידע והפקודות במחשב טיפול במשתנים ובקבועים מבנה המערך ותפקיד המצביעים מנגנון המחסנית (stack) יישום תנאי מבנה לולאה טיפול בערכי קצה תנאי כניסה ויציאה פונקציות והעברת פרמטרים

9 מה ז ה מ אפשר?

10 הארכיט ק ט ור ה ו שפת האסמ ב לי תל ויות בארגון ה מח שב

11 שכבו ת ויר ט ואליות ב מכונה High-Level Languages Compiled Languages, e.g. C++ Assembly Languages Programs Machine Code/ Architecture Computer Organization Level Digital Logic Level Transistors & Layout Materials/ Physics Physical Layers

12 ה ארכיט ק ט ו רה ארכיטק ט ור ת Von-Neumann

13 Mother board לוח אם

14 דיאגרמ ת ב לו קי ם פשו ט ה של ה מח שב

15 מ חשב מוד רני (פשוט)

16 ז יכרון F C FF E 1 byte = bits -בית -מלbit 1 word = bytes - סיבית מידע

17 Buses

18 Address Buses 2 קווי כתובת מקוד ד ים _ _כתובות: = כתובות 4 קוים = כתובות 8 קוים = כתובות 16 קוים 32 קוים = כתובות

19

20 קרי אה מ ה זי כרון Address Bus Other registers Data Bus Arithmetic and Logic Unit Control Unit Control Bus Main Memory CPU Clock

21 כתיב ה ל זי כרון Address Bus Other registers Data Bus Arithmetic and Logic Unit Control Unit Control Bus WRITE LINE Main Memory CPU Clock

22 תכנית מ חשב המחשב מבצע תכנית השמורה בזיכרון באופן בסיסי בצע תמיד/ :DO FOREVER The Fetch-Execute Cycle Fetch Execute (interrupts) בפועל מסובך יותר, למש ל בשל פסיקות

23 Fetch & execute cycle מ ח זו ר ה בא ובצע הבא את הפק ודה הבאה Fetch Next Instruction Execute Instruction עדכן את מ ונה ה תכנ ית בצע הפקודה Update PC תרגם הפקוד ה Decode Instruction

24 קצת יו תר ע ל אר גו ן המע ב ד...

25 CPU central processing unit יחי דת עיבוד מר כזי ת (המ עבד)

26

27

28 בג דול...

29

30 Registers (accumulators) רגי סטרים (אוגרים) רגיסטרים ר כיבי זיכרון מהירים מאוד ע ל המעבד ע צמו ( (על הצ' פי

31 רגיסט רים ב- 80x86 This register file unit contains registers of the following types (partial list): 8-bit general registers: AL, BL, CL, DL, AH, BH, CH, DH 16- bit general & special registers: AX, BX, CX, DX, SP, BP, SI, Dl 32-bit general & special registers: EAX, EBX, ECX, EDX, ESP, EBP, ESI, EDI (Accumulator, Base, Counter, Data, Stack pointer, Base pointer, Source index string op., Destination Index string op.) Segment registers: ES, CS,SS, DS, FS, GS Instruction pointer: EIP

32 Flags דגלים כל דגל (FLAG) מייצג סיבית (bit) ש ל מיד ע חשו ב: מצב המכונה מ צ ב החישו ב

33

34 Execution unit יחידת ביצוע

35 ALU- arithmetic Logic Unit יחידת חישובים (אריתמטיים ולוגיים)

36 דוגמה ALU: 1 bit

37

38 Bus Interface

39 סדר ה פקודות

40 Control unit יחידת הבקרה מיי צרת אותות תז מון וב ק רה בוחרת פעולות לביצוע ב: :ALU :Register file :Program counter :Bus control פסיקות

41 The Fetch-Decode-Execute Cycle Fetch PC=PC+1 Decode Execute

42 Fetch Decode- Execute Cycle הבא את הפק ודה הבאה Fetch Next Instruction תרגם הפקוד ה עדכן את מ ונה ה תכנ ית Update PC Decode Instruction בצע הפקודה Execute Instruction

43

44 ביצו עי ם

45 Clock & Frequency שעון ותדר

46 ביצועים (performance) זמנים מחושבים לפי השעון,(frequency) מחזור השעון cycle) (clock או תדר למשל: 4 GHz כל פעולה לוקחת לפחות מחזור שע ון אחד. גישה לזיכרון access) (memory לוקחת בד"כ יותר ממחזור שעון אחד. זמן הגישה time) (access לזיכרון הוא קריטי! ביצוע פקודה (execution) מורכב ממספר צעדים גישה לזיכרון. ע לול לכלול

47 ביצועים (performance) הבי צ ו עים (performance) ת ל ויים במ יד ה רבה ב:

48

49 בשיע ורים הבאים: מ הי שפת אסמ בלי

50 אסמ ב לי ו אסמ ב לר שפת אסמבלי היא (כמעט) תרגום ישיר של שפת המכונה. מרכיבי שפת אסמבלי: mnemonics גרסה סימבולית לפקודות בשפת המכונה - תוויות לייצוג לכתובות בזיכרון labels שמות רגיסטרים pseudo-operations (פקודות המתרגמות לכמה פקודות מכונה, או פקודות המבוצעות ע"י האסמבלר ולא בזמן הרצת התכנית ע"י ה- macros,(cpu ועוד... תכנת Assembler מתרגמת את ה- Assembly לשפת המכונה. התרגום מתבצע בשני שלבים: 1. תרגום הפקודות לקוד בינארי ויצירת טבלה סימבולית ) table (Symbolic לתרגום ה-.labels 2. תרגום ה- labels לכתובות (הניתנות לאיתור ולהעברה,,(relocatable תיקון הקוד הבינארי בהתאם, ויצירת,Object file המכיל את אינפורמציית ההעברה.

51 ;"Hello world!" program for Linux in NASM style assembly (Wikipedia) ;; section.data ; section for initialized data str: db 'Hello world!', 0Ah ; message string with new-line char at the end (10 decimal) str_len: equ $ - str ; calcs length of string (bytes) by subtracting this' address ; ($ symbol) from the str's start address section.text ; this is the code section global _start ; _start is the entry point and needs global scope to be 'seen' by ; linker - equivalent to main() in C/C++ _start: ; procedure start mov eax, 4 ; specify the sys_write function code (from OS vector table) mov ebx, 1 ; specify file descriptor stdout -in linux, everything's treated ; as a file, even hardware devices mov ecx, str ; move start _address_ of string message to ecx register mov edx, str_len ; move length of message (in bytes) int 80h ; tell kernel to perform the system call we just set up - ; in linux services are requested through the kernel mov eax, 1 ; specify sys_exit function code (from OS vector table) mov ebx, 0 ; specify return code for OS (0 = everything's fine) int 80h ; tell kernel to perform system call

52 "Hello world!" program for Linux in NASM style assembly using the C standard library (Wikipedia) global main ;main must be defined as it being compiled against the C-Standard Library extern printf segment.data ;declares use of external symbol as printf is declared in a different object- ;module. Linker resolves this symbol later ;section for initialized data string db 'Hello world!', 0Ah ;message string with new-line char at the end (10 decimal) segment.text main: ;string now refers to the starting address at which 'Hello, World' ;is stored. push string ;push the address of first character of string onto stack. call printf ;This will be argument to printf ;calls printf add esp, 4 ;advances stack-pointer by 4 flushing out the pushed string ; argument ret ;return

53 דוגמה 1 2 %define STK_UNIT %macro Iamalive 0 5 push Str1 6 call printf 7 add esp, STK_UNIT 8 %endmacro 9 10 %macro my_printf 2 11 section.rodata 12 %%Str2: db %2, 10, 0 13 section.text 14 push %1 15 push %%Str2 16 call printf 17 add esp, STK_UNIT*2 18 %endmacro section.rodata D20616C6976- Str1: db 'I am alive', 10, A C 0F num1: dd section.text 26 align global my_func 28 extern printf

54 1 2 %define STK_UNIT %macro Iamalive 0 5 push Str1 6 call printf 7 add esp, STK_UNIT 8 %endmacro 9 10 %macro my_printf 2 11 section.rodata 12 %%Str2: db %2, 10, 0 13 section.text 14 push %1 15 push %%Str2 16 call printf 17 add esp, STK_UNIT*2 18 %endmacro section.rodata D20616C6976- Str1: db 'I am alive', 10, A C 0F num1: dd section.text 26 align global my_func 28 extern printf

55 דוגמה 1 2 %define STK_UNIT %macro Iamalive 0 5 push Str1 6 call printf 7 add esp, STK_UNIT 8 %endmacro 9 10 %macro my_printf 2 11 section.rodata 12 %%Str2: db %2, 10, 0 13 section.text 14 push %1 15 push %%Str2 16 call printf 17 add esp, STK_UNIT*2 18 %endmacro section.rodata D20616C6976- Str1: db 'I am alive', 10, A C 0F num1: dd section.text 26 align global my_func 28 extern printf

56 29 30 my_func: pusha 32 Iamalive [ ] <1> push Str E8( ) <1> call printf B 81C <1> add esp, STK_UNIT my_printf dword [num1], "The number is %ld" 38 <1> section.rodata E756D6265- <1> %%Str2: db %2, 10, C640A- <1> <1> 42 <1> section.text FF35[0C000000] <1> push % [ ] <1> push %%Str C E8( ) <1> call printf C <1> add esp, STK_UNIT*2 47 my_printf dword [num1], "The number again is %ld" 48 <1> section.rodata E756D6265- <1> %%Str2: db %2, 10, C E2069- <1> C640A00 <1> 52 <1> section.text FF35[0C000000] <1> push % D 68[ ] <1> push %%Str E8( ) <1> call printf C <1> add esp, STK_UNIT* D 61 popa E C3 ret