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