TSEA28 Datorteknik Y (och U)

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 3 TSEA28 Datorteknik Y (och U) Föreläsning 2 Kent Palmkvist, ISY Praktiska kommentarer Mail kommer skickas ut när labanmälan är möjlig Anmälningssystemet via Lisam Maila gärna mig vad som krångar om det krånglar Varje labb uppdelad i två delar (2h+2h), välj lämpligen två tillfällen med tid emellan Labsystemet använder ISY:s gamla fileserver Annorlunda hemkonto än för IDA:s och ISY:s nya labbsystem https://www.isy.liu.se/tus/handbook/faq.html TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 2 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 4 Dagens föreläsning Kort repetition Större programmeringsexempel Subrutiner Stack Adresseringsmoder Enkel exempeldator 2 register (PC och D), 1 ALU, kontrollenhet (CU) I/O: display och sensor minne Typ Argument 9 olika instruktioner xxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Kod Assemblerinstruktion Föklaring 4 32 PC 0 load D,#värde Ladda in argument i In Ut 1 add D,#värde Addera argument till D 2 comp D,#värde Jämför argument med D, Z=1 om D=argument, Z=0 annars CU 3 bne adress Sätt PC till argument om Z=0 4 beq adress Sätt PC till argument om Z=1 ALU 5 jump adress Sätt PC till argument 6 jsr 2000 om argument = 2000 skicka D till display D Z 6 jsr 2100 om argument = 2100 hämta aktuellt displayvärde till D 6 jsr 2200 om argument = 2200 hämta sensorvärde till D, D=1 om någon I dörren 7 load D,adress Läs värde från minnesadress och placera i D 8 load adress,d Spara värdet I D I minnesadressen

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 1, Kent Palmkvist 2018-01-16 5 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 7 Räkna studenter start: load D,#0 ; Nollställ D Load 100,D ; spara displayvärde adress 100 jsr 2000 ; sätt display till 00 wait1: jsr 2200 ; Hämta sensorvärde comp D,#1 ; Står någon i dörren? bne wait1 ;, gör om load D,100 ; hämta displayvärdet add D,#1 ; öka displayvärdet jsr 2000 ; visa det nya värdet Load 100,D ; spara nya värdet i minnet load D,#0 ; starta timer på 0 delay: add D,#1 ; öka timer med 1 comp D,#10000 ; lämpligt antal klockcykler? bne delay ; inte tillräckligt många varv wait0: jsr 2200 ; Hämta sensorvärde comp D,#0 ; Är dörren tom? bne wait0 ;, kontrollera igen jump wait1 ; bör om Nollställ displayvärde Vänta på sensorvärde = 1 Öka displayvärde med 1 Vänta 0.5s Vänta på sensorvärde = 0 Beskriv funktionen som en sekvens av enklare funktioner Tänk igenom förväntad sekvens Ingen ide räkna upp medan dörren är stängd Rita lite fritt först, med stora komplexa instruktioner Nollställ när strömmen slås på Om dörr stängs räkna ned antal med 2 (måste passera dörren för att stänga den), vänta till dörren öppnas igen Räkna upp om dörrsensor aktiveras TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 6 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 8 Hur skriva större program Öka kraven i exemplet Lägg till en sensor för dörrlås (räkna inte när g går och hämtar kaffe...) Kräver ny instruktion för läsa dörrlås jsr 2300 Läs dörrlås, D=1 om dörr stängd, D=0 annars Räkna upp varannan gång (måste gå in och ut ur kontoret) Automatisk nollställning varje natt (om dörr stängd > 8h nollställ) Behöver lite mer strukturerad metod Tänk igenom förväntad funktion, rita flödesscheman Detaljerad beskrivning Minnesceller Riktig assemblerkod, namnge platser, rensa upp Exempelstruktur (rita gärna flödesdiagram) Initiera vänta på aktivitet på dörr eller sensor om dörr öppen om sensor aktiv räkna upp, vänta tills passerat vänta på nästa aktivering (personen går ut) om dörr stängd minska räknare med 2 räkna tid tills dörr öppnas om tid > 8h nollställ räknaren

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 9 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 11 Dela upp i mindre sekvenser Försök dela upp i små steg Varje litet steg bör kunna direkt översättas till maskinkod T ex: vänta på nästa aktivering (personen går ut) läs sensor, gå vidare om sensor aktiv, annars läs om igen läs sensor, gå vidare om sensor inte aktiv, annars läs om igen Ordna allt i en sekvens Har inte ritat ut val som går till nästa rad Initiera sensor aktiv? sensor aktiv? Räkna upp display med 1 sensor aktiv? sensor aktiv? Räkna ned display med 2 Räkna tid Tid > 8h? Nollställ display TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 10 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 12 Mer detaljerad beskrivning Initiera sensor aktiv? Räkna ned display med 2 Räkna tid sensor aktiv? Räkna upp display med 1 Tid > 8h? sensor aktiv? Nollställ display sensor aktiv? Funder över behov av minnesplatser D används till mycket Sensorvärden Räknarvärden Välj att placera räknarvärde i minnet Bestäm adresser för detta 3000: displayvärde 3001: tidräknare Kom ihåg att minnesceller kan ha slumpmässigt startvärde! Måste initiera! Initiera sensor aktiv? sensor aktiv? Räkna upp display med 1 sensor aktiv? sensor aktiv? Räkna ned display med 2 Räkna tid Tid > 8h? Nollställ display

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 13 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 15 Ersätt med riktig assemblerkod Ersätt varje större instruktion med riktig assemblerkod Namnge all platser som ska hoppas till init: load D,#0 load 3000,D jsr 2000 sens1: jsr 2200 comp D,#1 beq 1 jsr 2300 comp D,#0 beq sens1 jump decrement Initiera sensor aktiv? sensor aktiv? Räkna upp display med 1 sensor aktiv? sensor aktiv? Räkna ned display med 2 Räkna tid Tid > 8h? Nollställ display Hela programmet, del2 sens2: jsr 2200 ; hämta sensorvärde comp D,#0 ; är sensor inaktiv? beq 1 ;, fortsätt nedan jsr 2300 ; hämta låssensor comp D,#0 ; är dörren låst beq sens2 ;, testa sensor och lås igen jump decrement ; Ja, hantera i decrement-rutinen 1: load D,3000 ; räkna upp display add D,#1 ; räkna upp load 3000,D ; spara det nya värdet jsr 2000 ; visa på display TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 14 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 16 Hela programmet, del1 init: load D,#0 ; initiera displayräknare till 0 load 3000,D ; sätt sparat displayvärde till 0 jsr 2000 ; och sätt display till 0 sens1: jsr 2200 comp D,#1 beq 1 ; hämta sensorvärde ; är sensor aktiv? ;, fortsätt nedan jsr 2300 ; hämta låssensor comp D,#0 ; är dörren låst beq sens1 ;, testa sensor och lås igen jump decrement ; Ja, hantera i decrement-rutinen 1: load D,#0 ; wait0: add D,#1 ; räkna upp comp D,#1000 ; väntat färdigt? bne wait0 ;, vänta mer Hela programmet, del3 sens3: jsr 2200 ; hämta sensorvärde comp D,#1 ; är sensor aktiv? beq 2 ;, fortsätt nedan jsr 2300 ; hämta låssensor comp D,#0 ; är dörren låst beq sens3 ;, testa sensor och lås igen jump decrement ; Ja, hantera i decrement-rutinen 2: load D,#0 ; wait1: add D,#1 ; räkna upp comp D,#1000 ; väntat färdigt? bne wait1 ;, vänta mer

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 17 Hela programmet, del4 sens4: jsr 2200 ; hämta sensorvärde comp D,#0 ; är sensor inaktiv? beq sens1 ;, bör om jsr 2300 ; hämta låssensor comp D,#0 ; är dörren låst beq sens4 ;, testa sensor och lås igen Subrutiner, stack decrement: load D,3000 add D,#-2 load 3000,D jsr 2000 load D,#0 tidloop: add D,#1 load 3001,D ; hämta aktuellt displayvärde ; minska med två ; spara det nya värdet ; visa på displayen ; nollställ tidräknare ; öka tid ; spara tidvärde i minnet TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 18 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 20 Hela programmet, del5 jsr 2300 comp D,#0 beq sens1 load D,3001 comp D,#80000 beq tidloop: load D,#0 load 3000,D jsr 2000 jump tidloop ; hämta låssensor ; är dörren låst ;, bör om från börn ; har 8h passerat? ; fortsätt vänta ; nollställ displayvärde ; spara värdet I minnet ; visa på displayen ; nollställ tidräknare Återanvändning av kod Många likadana sekvens i koden Fördröjning på 0.5s ser likadan ut på två ställen i koden 2: load D,#0 ; wait1: add D,#1 ; räkna upp comp D,#1000 ; väntat färdigt? bne wait1 ;, vänta mer Kan vara många flera rader i koden Lagra endast en kopia av sekvensen Återanvänd genom att hoppa till sekvensen från flera platser Kallas subrutin Samma idé som funktioner och procedurer i vanliga programspråk

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 21 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 23 Subrutiner Program Subrutin, exempel Måste komma ihåg var programmet ska fortsätta efter subrutinen Återhopp 4 är har en annan adress än återhopp 2! Vanligt hopp fungerar inte (som måste ha fast adress) Spara adress till nästa instruktion när anrop till subrutin görs Speciell subrutinsinstruktion istället för vanligt hopp Den sparade adressen kan användas vid återhoppet (ytterligare en speciell instruktion) 2 anrop 1 anrop 4 3 Subrutin återhopp Programmet startar högst upp Vid 1:a jsr sparas adress A (kopieras från PC) och adress C placeras i PC När subrutin C är slut återställs det sparade värdet (adress A) till PC Vid 2:a jsr sparas adress B (kopieras från PC) och adress C placeras i PC När subrutin C är slut återställs det sparade värdet (adress B) till PC Exemplet klarar sig med ett enda register för återhoppsadress Fungerar inte om subrutiner kan anropa andra subrutiner (det gör dom...) jsr C A: : jsr C B: : C: rts subrutin TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 22 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 24 Subrutiner, forts. Vid anrop till subrutin jsr adress ; hopp till subrutin som startar på adress i minnet Sparar adress till instruktion efter jsr (finns i PC-registret innan hoppet) När subrutin slut rts ; retur från subrutin Använd den sparade adressen från jsr-instruktion och placera den i PC-registret Placering av den sparade återhoppsadressen? Ett speciellt register alternativt en speciell adress i minnet Subrutiner: stöd för rekursiva anrop Rekursion kräver möjlighet lagra flera anrop i rätt ordning Varje ny jsr instruktion lägger återhoppsadressen högst upp i högen av återhoppsadresser Varje rts tar bort översta adressen i högen av återhoppsadresser Denna datastruktur kallas för stack (last in first out) Jfr en låda med papper Värden läggs till högst upp, värden tas bort från toppen... jsr... jsr..... jsr rts rts subrutiner

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 25 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 27 Implementering av en stack Att använda ett speciellt (dedikerat) minne för stack är ineffektivt Kan dock ge bättre prestanda i vissa fall Stacken använder sig av en del av minnet Måste hålla ordning på var aktuell position befinner sig (toppen på stacken) Ett speciellt register i processorn Kallas för stackpekare (SP) Stacken kan växa uppåt eller nedåt i minnet Kan ibland väls för processorn Utökning av exempeldatorn med stack Adress till minne måste styras med PC, SP och CU PC för nästa instruktion CU för adress från argument i instruktionen SP för läsa/skriva till stacken Måste initiera SP innan den används! Måste finnas skrivbart minne på adresserna Alternativ 1: sätt SP vid reset (spänningspåslag) till ett förbestämt värde Alternativ 2: Sätt SP i programmet Kräver ny instruktion: load SP,#adress Eventuellt extra push D och pop D instruktioner In minne PC ALU D Z CU SP Ut TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 26 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 28 Implementering av en stack, funktion Att placera något på stacken Kallas ibland för push, implementeras i flera steg Ändra SP till nästa lediga minnesadress Placera värdet i minnet på adress som finns i SP (SP pekar på) Att ta bort något från stacken Kallas ibland för pop, implementeras i motsatt ordning mot push Hämta värdet från minnet på den adress som finns i SP Ändra SP så den pekar på det nyaste översta värdet i stacken SP ökas eller minskas med 1 för varje push respektive pop operation Grafisk beskrivning av minnesinnehåll Program ökar PC med 1 för varje instruktion Naturligt skriva lägst adress högst upp (nästa instruktion under föregående instruktion i listan) Låga adresser skrivs längst upp, höga adresser skrivs längst ned Kan ibland bli lite motsägelsefullt Om någon växer, ökar eller minskar adressen? Ibland ritas minneskarta med omvänd adressordning Låga adresser längst ned, höga adresser längst upp 97 xxx 97 xxx Växer nedåt (mot högre adresser) Växer uppåt (mot högre adresser)

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 29 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 31 Alternativ för stackimplementering Stack kan växa uppåt eller nedåt Mer vanligt att stacken växer mot lägre adresser (nedåt) Program växer i storlek mot högre adresser => stack växer från andra hållet Förhoppningsvis möts de aldrig!! SP kan peka på första lediga plats eller senast placerade data Valet påverkar om SP ändras före eller efter att data lagts på stacken ARM: Stack växer mot lägre adresser, pekar på senast placerade data 97 xxx SP 97 xxx SP Växer nedåt (mot lägre adresser) Växer uppåt (mot högre adresser) Subrutinanrop alt. 1: utan stack Extra register enbart avsett att lagra PC vid subrutinanrop LR: Link register bl subrutinadress ; Hopp till subrutin LR = adress till instruktion efter bl (dvs PC-registrets värde) PC = subrutinadress mov pc,lr ; Återhopp vid slut på subrutin PC = LR Subrutinen måste själv spara undan LR:s nuvarande värde innan nästa jsr (t ex på en stack) TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 30 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 32 Exempel på sekvens av stackoperationer 1: SP = 98 Okänt innehåll (xxx) i minnet 2: Push(34) SP = 97 Minne[97] = 34 3: Push(19) SP = 96 Minne[96] = 19 4:D=pop() D = Minne[96] = 19 SP = 97 5:D=pop() D = Minne[97] = 34 SP = 98 97 xxx SP SP 96 19 97 34 SP SP 97 34 96 19 97 34 SP 96 19 97 34 1 2 3 4 5 Subrutinanrop alt. 2: automatisk stack jsr subrutinadress Push(adress till instruktion efter jsr) PC = subrutinadress Rts ; Återhopp vid slut på subrutin PC = pop() En subrutin kan anropa sig själv Rekursion, exempelvis n! beräknad rekursivt nfak(n): if N = 1 then return 1 else return nfak(n-1)*n; För många anrop gör att stacken blir för stor (SP -> 0 eller SP pekar på annan viktig data, t ex programmet)

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 33 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 35 Jämförelse jsr med/utan stack Fördel automatisk stack (68000, x86 mfl) Enklare programmera Färre instruktioner i subrutinerna Behöver inte extra instruktioner för att spara undan LR på stacken Behöver inte extra instruktioner för hantering av LR registret Fördel utan stack (ARM mfl) Snabbare instruktion Behöver inte spara onödiga adresser på stacken mov pc,lr behöver inte läsa från minnet vid återhopp Användning av jsr i exempeldatorn jsr är subrutinanrop som gömmer koden för hur sensorer och display hanteras Någon måste fortfarande skriva rutinerna och bygga in gränssnittet i datorn Dessa subrutiner är exempel på olika I/O-funktioner Skicka ut data till display Läsa av sensor och låssensor Hur? Måste finnas en del i modelldatorn där display och sensorer kan anslutas, och data kan skickas in/ut TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 34 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 36 En detalj; hopp i koden Skillnad mellan branch och jump Brukar finnas både jump och branch Även möjligt med BSR och JSR (branch respektive jump subroutine) Jump: Adressen i argumentet är absolut adress Exakt den adress som PC ska få när hoppet är utfört Branch: argumentet är en offset mot aktuell PC Argumentet anger hur många steg framåt eller bakåt hoppet ska göras relativt aktuellt adress i PC Fördel: hopp inom rutinen behöver inte ändras även om rutinen placeras på annan plats i minnet In och utdata, speciella instruktioner Vissa datorer använder speciella instruktioner för att skicka och ta emot data från I/O Kräver extra instruktioner såsom in D,ioadress,D out ioadress,d ; läs av inport nr ioadress och spara i D ; skicka värde i D till utport på adress ioadress Kräver extra signaler ut från processorn (styrsignaler) Datasignaler (värdet) skickas samma väg som data till/från minnet In och utdata påverkar inte tillgänglig mängd minne Out 100,D skriver INTE i minne adress 100

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 37 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 39 In och utdata, minnesmappad I/O Instruktioner så här långt Vissa datorer (dom flesta) använder speciella minnesadresser för att ta emot data från I/O Kräver inga extra instruktioner Enkelt hantera i högnivåspråk (t ex C/C++) Kräver att vissa minnesadresser inte kan användas som vanligt minne Avkoda adressen Ibland avkodas inte signalen fullständigt => Samma enhet på flera adresser Datasignaler (värdet) skickas samma väg som data till/från minnet ; display finns på adress ; 65532, sensor på 65534 putdisplay: ; adress 2000 load 65532,D rts readsensor: ; adress 2200 load D,65534 rts Olika typer av instruktioner finns Flytta data load Beräkna nya värden (addera, jämför), påverka Z-flagga add, comp Ändra instruktionsföljd (hopp) bne, beq, jump, jsr, rts Eventuella speciella funktioner In, out TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 38 TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 40 Exempel avkodning minnesmappad I/O Vill ha en I/O-port på adress 0x1234 dvs 0001 0010 0011 0100 binärt Alternativ 1: fullständig avkodning Alla 16 bitarna måste undersökas Kräver stort logiskt nät för att avgöra om I/O-adress avser denna port Alternativ 2: Använd färre bitar (t ex strunta i de 4 sista bitarna) Porten hamnar på alla adresser 0x123x, dvs 0001 0010 0011 xxxx Skrivning på 0x1234 är samma som 0x1230 Går snabbare och tar mindre hårdvara att avkoda Närmare beskrivning av olika load Många olika moveinstruktioner har angetts så här långt (samma mnemonic, olika typ, olika kodning) load D,#värde load D,adress load adress,d load SP,#värde Finns också instruktioner som liknar load Push D => load [-1,SP]!,D ; minska SP med 1, flytta D till adress ; som nya värdet på SP registret pekar på Pop D => load D,[SP+1] ; läs värde från minne på adress i SP, öka ; SP med 1.

TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 41 Olika sätt att beskriva adressering Omedelbar (immediate, literal) load D,#värde ; argumentet är värdet Direkt load D,adress ; argumentet är adressen i minnet där värdet finns Offset load [SP,#4],D ; spara i minnet på adress som fås om 4 läggs till värdet i SP Indirekt med predecrement push D => load [SP,#-4]!,D ; adressen fås från ett register som först räknas ned Indirekt med post increment pop D => load D,[SP],#4 ; adressen fås från ett register som sedan räknas ; upp med 4 (motsvarar 32 bit!) Många fler moder är möjliga (register indirekt, postdecrement etc.) www.liu.se TSEA28 Datorteknik Y (och U), föreläsning 2, Kent Palmkvist 2018-01-16 43 Hur många bitar innehåller en adress? Ofta kan 32-bitars data kan hämtas vid en läsning 4 stycken 8-bitars adresser läses på en gång Adressen som anges pekar på 1:a byte som ska läsas I många fall kan man inte läsa 16 och 32-bitar från udda adresser LSB (Least significant bit/bits) i adress alltid = 0 Ex: Läs 32-bitar adress 4 går bra, läs 32-bitar på adress 10 går inte (2 olika adresser måste läsas efter varandra) Adress 00 04 08 12 16 20 32 bitar