Le jeu d’instructions

Définition

Jeu d’instructions

Le jeu d’instructions d’un processeur précise

les registres du processeur
les instructions qu’il peut exécuter
la manière dont ces instructions sont représentées en mémoire

Eléments communs

On trouve dans à peu près tous les processeurs :

des registres
- R0, R1, .. = registres de données; le nombre de bits qui peut être manipulé dans un registre donne le nombre de bits du processeur
- PC = compteur de programme, contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter
- autres registres spécialisés
des “drapeaux” (flags), qui sont levés ou non après des opérations; par exemple :
- V = oVerflow (le résultat a dépassé la capacité du registre)
- N = Negative (le résultat est négatif)
- Z = Zero (le résultat est nul)
- C = Carry (une retenue n’a pas pu être comptée dans le résultat)
des bus d’entrée et de sortie, pour communiquer avec l’extérieur (mémoire,…)
une ALU : unité d’aritmétique et logique
une unité de contrôle : reçoit et décode les instructions

Exemples : RISC

RISC = Reduced Instruction Set Computing

Dans le simulateur https://peterhigginson.co.uk/RISC/V2.php

identifier chacun de ces éléments
en vous plaçant en mode “affichage hexadécimal” (OPTION > hex), déterminez le nombre de bits de ce processeur.

Instruction machine

Définition

Une instruction machine contient

un code permettant de préciser quelle est l’instruction (déplacer, ajouter,..)
des opérandes (si nécessaire) : registres, adresses mémoire, …

Cette instruction est représentée par une séquence de bits, contenant une information sur l’instruction à faire (opcode) et des opérandes

Selon l’architecture du processeur, les instructions sont plus ou moins nombreuses et ont des fonctions plus ou moins étendues.

Exemples :

jeu d’instruction x86
jeu d’instruction ARM
…

Pour plus d’infos : fr.wikipedia.org/wiki/Jeu_d’instructions

Le jeu d’instructions x86

Historiquement :

jeu du processeur 8086 (16 bits) (1978)
étendu depuis
- 80186 (16 bits) : 1982
- 80286 (16 bits) : 1982
- 80386 (32 bits) : 1986
- 80486 (32 bits): 1989
- Pentium, pentium MMX (32 bits): 1993
- PPro, PII, PIII,PIV, Athlon (32 bits) : 1995-2000
- Athlon 64, Opteron, P4, Intel Core 2 (64 bits) : 2003-2006
- … Phenom, Core i7, Bulldozer, Haswell (64 bits) : 2007-…

Détails : fr.wikipedia.org/wiki/X86

et évolution du jeu d’instruction : fr.wikipedia.org/wiki/Jeu_d’instructions_x86

Exemple

Dans le jeu d’instruction RISC16,

0010101011111111 = placer la valeur 0xFF dans le registre R2

00101 placer la valeur xx dans le registre yy
010 registre 2
11111111 valeur FF

Pas très lisible….

Programme en langage machine (assembleur)

Principe

Les instructions sont écrites dans un langage “humain”, et traduites ensuite en code binaire par le compilateur.

Exemple 1:

        00101   010     11111111
        MOV      R2,        #255

Exemple 2:

// Addition de deux nombres
        INP R0,2
        INP R1,2
        ADD R2,R1,R0
        OUT R2,4
        HLT

traduit par

0111000100000010
0111000100010010
0110000010001000
0111000110100100
0000000000000000

Jeu d’instruction RISC16

Jeu d’instruction correspondant au simulateur :

https://www.peterhigginson.co.uk/RISC/instruction_set_V2.pdf

déterminer le nombre de bits correspondant à une instruction complète
déterminez l’instruction (en binaire) correspondant à l’instruction ADD R3, #15

Types d’instructions

Uniquement celles que nous allons utiliser :

Mettre des valeurs dans un registre : MOV
Faire des calculs : ADD, SUB, MUL, UDV, MOD
Faire des opérations binaires : LSR, LSL, AND, ORR, XOR
Lire ou écrire dans la mémoire : LDR / STR
Comparer des valeurs : CMP
Sauter à une autre instruction : Bxx

Adresses mémoire, labels

Les accès en mémoire se font en utilisant une adresse; cette adresse peut être exprimée

directement (en donnant l’adresse)
“directement” (en donnant un label)
relativement (via un registre qui contient l’adresse et éventuellement un décalage - offset) - CF plus loin

Exercices

Programme 1

        INP R0
        INP R1
        ADD R2,R1,R0
        OUT R2
        HLT

Programme 2

        LDR R0, .dn
        LDR R1, .da
.l1     ADD R1, R1
        SUB R0, #1
        BPL .l1
        STR R1, .dres
        OUT R1
        HLT
.dn     DAT 5
.da     DAT 4
.dres   DAT

DAT : directive pour réserver une case mémoire en mettant éventuellement une valeur initiale
INP R0 : lit une valeur sur le bus d’entrée et la place dans le registre R0
OUT R1 : envoie la valeur contenue dans le registre R1 sur le bus de sortie
HLT : arrête le programme
LDR R0, .dn : charge dans R0 la valeur contenue à l’adresse marquée par le label .dn
ADD R1, R1 : ajoute R1 à lui-même (double la valeur de R1), met le résultat dans R1, c’est un raccourci pour ADD R1, R1, R1 BPL : branch if plus (zéro est considéré comme positif)

Programme 3

        MOV R1, #5
        MOV R2, #65
        LDR R3, .data

.loop   STR R2, 0(R3)
        ADD R2, #1
        ADD R3, #1
        SUB R1, #1
        BPL .loop
        HLT
.data   DAT .data

DAT .data : réserve une case mémoire, initialisée avec l’adresse de cette case (utile pour faire des accès en mémoire)
BPL : branch if plus (zéro est considéré comme positif)
STR R2, 0(R3) : enregistre le contenu de R2 dans la case mémoire dont l’adresse est contenue dans R3, plus zéro.

Exercice 1

        LDR R0, .di
        MOV R1, #42
        LDR R2, .ds
.l1     ADD R1, R0
        STR R1, 2(R2)
        ADD R0, #1
        STR R0, .di
        ADD R2, #1
        CMP R0, #6
        BLE .l1
        HLT
.di     DAT 0
.ds     DAT .ds

BLE : branche if lower or equal du CMP du dessus (si R0 <= 6)

Exercice 2

        INP R0, 2
        INP R1, 2
        LDR R2, .dres
.l1     ADD R0, R0
        STR R0, 1(R2)
        ADD R2, #1
        SUB R1, #1
        BPL .l1
        STR R0, .dres
        OUT R0, 4
        HLT
.dres   DAT

Exercice 3

// Tester avec différentes valeurs
// en utilisant INP R0, 2
        MOV R0, #129
        STR R0, .dfnd
        LDR R1, .dlft
        LDR R2, .drgt
.centr  ADD R3, R1, R2
        LSR R3, #1
        CMP R3, R0
        BEQ .equal
        BHI .great
.lower  MOV R1, R3
        BRA .centr
.great  MOV R2, R3
        BRA .centr
.equal  LDR R3, .dres
        HLT
.dlft   DAT 0
.drgt   DAT 1000
.dcnt   DAT
.dfnd   DAT
.dres   DAT