Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina

Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
Lección 3
Ing. Jorge Castro-Godı́nez
MT7003 Microprocesadores y Microcontroladores
Área de Ingenierı́a Mecatrónica
Instituto Tecnológico de Costa Rica
I Semestre 2014
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
1 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Contenido
1
Generación de código ejecutable
2
Arquitectura del conjunto de instrucciones
3
Fundamentos de x86
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
2 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
¿En qué se parecen estos bloques?
(1)
if (x != 0) y = (y+z)/x;
cmpl
je
movl
movl
leal
movl
sarl
idivl
movl
$0, -4(%ebp)
.L2
-12(%ebp), %eax
-8(%ebp), %edx
(%edx, %eax), %eax
%eax, %edx
$31, %edx
-4(%ebp)
%eax, -8(%ebp)
Jorge Castro-Godı́nez
1000001101111100001001000001110000000000
0111010000011000
10001011010001000010010000010100
10001011010001100010010100010100
100011010000010000000010
1000100111000010
110000011111101000011111
11110111011111000010010000011100
10001001010001000010010000011000
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
3 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
¿En qué se parecen estos bloques?
(2)
if (x != 0) y = (y+z)/x;
!*
cmpl
je
movl
movl
leal
movl
sarl
idivl
movl
$0, -4(%ebp)
.L2
-12(%ebp), %eax
-8(%ebp), %edx
(%edx, %eax), %eax
%eax, %edx
$31, %edx
-4(%ebp)
%eax, -8(%ebp)
"#
#
$*
1000001101111100001001000001110000000000
0111010000011000
10001011010001000010010000010100
10001011010001100010010100010100
100011010000010000000010
1000100111000010
110000011111101000011111
11110111011111000010010000011100
10001001010001000010010000011000
Realmente se trata de una misma lı́nea de código.
El HW entiende en 1’s y 0’s. Sin embargo no es un lenguaje
“amigable” para el ser humano.
Las instrucciones en lenguaje máquina son mucho más cortas
que el número de bits que se necesitarı́an para representar los
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
4 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Interfaz HW/SW: Perspectiva histórica
El HW inicialmente fue muy primitivo.
Diseños de HW eran costosos. Las instrucciones debı́an ser
muy simples.
E.g., una sola instrucción para sumar dos enteros.
El SW también era bastante primitivo.
Las primitivas de SW reflejaban el HW de una manera muy
cercana.
Architecture Specification (Interface)
Hardware
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
5 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Interfaz HW/SW: Ensambladores
Los ensambladores facilitaron la vida, por mucho...
 
1 instrucción en ensamblador = 1 instrucción en lenguaje
máquina
Las instrucciones en ensamblador son cadenas de caracteres.
Más fácil de leer y escribir para los humanos.
Uso de nombres simbólicos.
Assembler specification
User
program
in
asm
Assembler
Jorge Castro-Godı́nez
Hardware
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
6 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Interfaz HW/SW: Lenguajes de alto nivel
Un mayor nivel de abstracción
La complejidad de los programas creció.
1 lı́nea de código en un lenguaje de alto nivel podrı́a ser
compilado en muchas lı́neas de lenguaje ensamblador.
C language specification
User
program
in C
C
compiler
Jorge Castro-Godı́nez
Assembler
Hardware
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
7 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Interfaz HW/SW: escritura, compilación y ejecución
:+6%*>#=%*
:+=?#2%*>#=%*
User
program
in C
C
compiler
.c file
Jorge Castro-Godı́nez
R4"*>#=%*
Assembler
Hardware
.exe file
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
8 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Rendimiento en la traducción de programas
¿De que depende el tiempo requerido para traducir un
programa?
Del programa mismo, por ejemplo si está escrito en C.
Del compilador: cuál es el conjunto (set) de instrucciones
traduce del programa en C.
De la arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA,
Instruction Set Architecture): cuál es el conjunto de
instrucciones disponible para el compilador.
La implementación de hardware: cuanto tiempo toma
ejecutar las instrucciones.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
9 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Arquitectura del Conjunto de Instrucciones
El ISA define:
El estado del sistema: registros, memoria, contador de
programa.
Las instrucciones que el CPU puede ejecutar.
El efecto que cada una de las instrucciones tiene en el estado
del sistema.
CPU
PC
Memory
Registers
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
10 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Desiciones de diseño de los ISA
Instrucciones
¿Qué instrucciones estarán disponibles? ¿Qué hacen estas
instrucciones?
¿Cómo estarán codificadas estas instrucciones?
Registros
¿Cuántos registros habrán?
¿Qué tamaño tendrán los registros?
Memoria
¿Cómo se especificarán las ubicaciones en memoria?
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
11 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
x86
Aquellos procesadores que implementan el ISA de x86
completamente, dominan el mercado de los servidores, las pc
de escritorio y laptop.
Diseño evolucionario:
Compatibilidad hacia atrás hasta 8086 (de 1978)
Cada vez se han agregado más funcionalidades en el tiempo.
CISC: Complex Instruction Set Computer
Muchas diferentes instrucciones con muchos diferentes
formatos.
Solo un conjunto pequeño de estas instrucciones se encuentran
en programas en Linux.
Instrucciones más complejas pero capaces de realizar cosas
complejas.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
12 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Evolución de x86
Nombre
8086
386
Pentium 4F
Año
1978
1985
2005
Transistores
29k
275k
230M
MHz
5-10
16-33
2800-3800
Evolución de 16, 32 y 64 bits.
Capacidades para emplear sistemas operativos complejos,
como los basados en Unix, fue posible.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
13 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Procesadores x86
486
Pentium
Pentium/MMX
Pentium Pro
Pentium III
Pentium IV
Core 2 Duo
Core i7
(1)
1989
1993
1997
1995
1999
2001
2006
2008
1.9M
3.1M
4.5M
6.5M
8.2M
42M
291M
731M
Funcionalidades se han agregado en el tiempo.
Instrucciones para soportar funcionalidades multimedias.
Operaciones en paralelo de 1, 2 y 4 bytes de datos.
Instrucciones para mejorar la eficiencia de operaciones
condicionales.
Más núcleos! Fin del escalamiendo de Dennard y de la ley de
Moore.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
14 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Procesadores x86
Jorge Castro-Godı́nez
(2)
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
15 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Evolución de los Procesadores
100,000
Performance (vs. VAX-11/780)
10,000
Intel Xeon 6 cores, 3.3 GHz (boost to 3.6 GHz)
Intel Xeon 4 cores, 3.3 GHz (boost to 3.6 GHz)
Intel Core i7 Extreme 4 cores 3.2 GHz (boost to 3.5 GHz)
24,129
Intel Core Duo Extreme 2 cores, 3.0 GHz
21,871
19,484
Intel Core 2 Extreme 2 cores, 2.9 GHz
14,387
AMD Athlon 64, 2.8 GHz
11,865
AMD Athlon, 2.6 GHz
Intel Xeon EE 3.2 GHz
7,108
6,043 6,681
Intel D850EMVR motherboard (3.06 GHz, Pentium 4 processor with Hyper-Threading Technology)
4,195
IBM Power4, 1.3 GHz
3,016
Intel VC820 motherboard, 1.0 GHz Pentium III processor
1,779
Professional Workstation XP1000, 667 MHz 21264A
1,267
Digital AlphaServer 8400 6/575, 575 MHz 21264
993
AlphaServer 4000 5/600, 600 MHz 21164
649
Digital Alphastation 5/500, 500 MHz
481
Digital Alphastation 5/300, 300 MHz
280
Digital Alphastation 4/266, 266 MHz
183
IBM POWERstation 100, 150 MHz
117
Digital 3000 AXP/500, 150 MHz
80
HP 9000/750, 66 MHz
51
1000
100
10
IBM RS6000/540, 30 MHz
MIPS M2000, 25 MHz
18
MIPS M/120, 16.7 MHz
13
Sun-4/260, 16.7 MHz
9
VAX 8700, 22 MHz
5
24
22%/year
52%/year
AX-11/780, 5 MHz
25%/year
1.5, VAX-11/785
1 1
1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
16 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Clones de x86: AMD
Historicamente AMD (Advanced Micro Devices) ha seguido
de cerca a Intel.
Un poco más lentos, pero mucho más baratos
En su momento contrataron diseñadores de circuitos de
Digital Equipment y otras compañias.
Fabricaron el Opteron: fuerte competidor del Pentium 4
Desarrollaron x86-64, su propia extensión de x86 a 64 bits.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
17 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Definiciones
Arquitectura
También se conoce como ISA o arquitectura abstracta.
Las partes del diseño del procesador que deben ser
comprendidas para escribir código en lenguaje ensamblador.
¿Qué es visible para el SW?
Microarquitectura
Es la impementación de la arquitectura o arquitectura
abstracta.
Arquitectura concreta.
¿Es el tamaño de la memoria caché parte de la arquitectura?
¿La frecuencia de operación de núcleo?
¿El número de registros del procesador?
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
18 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Perspectiva del programador de ensamblador
(1)
Memory
CPU
Addresses
PC
Registers
Data
Condition
Codes
Instructions
Object Code
Program Data
OS Data
Stack
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
19 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Perspectiva del programador de ensamblador
(2)
Estado visible al programador.
PC: Program Counter (Contador de programa).
Dirección de la siguiente instrucción a ser ejecutada.
Llamado EIP (IA32) o RIP (x86-64)
Archivo de registros
Altamente usados por los programas para procesar datos.
Códigos de condición
Almacena la información del estado de las operaciones
ariméticas y lógicas recientemente usadas.
Usadas para los saltos condicionales.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
20 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Perspectiva del programador de ensamblador
(3)
Memoria
Arreglos direccionables por bytes.
Código/programa, datos, datos del SO.
Incluye el uso de la pila (stack) usada para soportar
procedimientos.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
21 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Convertir un archivo de C en Código Objeto
Suponga código en archivos p1.c y p2.c
Comando de compilación: gcc -O1 p1.c p2.c -o p
Optimizaciones básicas (-O1)
El resultado queda en p
p
text
C program (p1.c p2.c)
Compiler (gcc -S)
text
Asm program (p1.s p2.s)
Assembler (gcc or as)
binary
Object program (p1.o p2.o)
Static libraries (.a)
Linker (gcc or ld)
binary
Executable program (p)
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
22 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Convertir un archivo de C en Ensamblador
gcc -O1 -S code.c
Produce un archivo code.s
Generated IA32 Assembly
C Code
int sum(int x, int y)
{
int t = x+y;
return t;
}
Jorge Castro-Godı́nez
sum:
pushl %ebp
movl %esp,%ebp
movl 12(%ebp),%eax
addl 8(%ebp),%eax
movl %ebp,%esp
popl %ebp
ret
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
23 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Disassembly
“Desensamblar”
objdump -d program
Es una herramienta útil para examinar el código objeto.
Puede ser ejecutado sobre archivos .o o binarios finales.
Disassembled
00401040 <_sum>:
0:
55
1:
89 e5
3:
8b 45 0c
6:
03 45 08
9:
89 ec
b:
5d
c:
c3
Jorge Castro-Godı́nez
push
mov
mov
add
mov
pop
ret
%ebp
%esp,%ebp
0xc(%ebp),%eax
0x8(%ebp),%eax
%ebp,%esp
%ebp
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
24 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Tipos básicos de instrucciones
Realizar funciones aritméticas empleando registros o datos en
memoria.
Transferir/mover información entre registos y memoria
Cargar datos de memoria a registros.
Almacenar datos de los registros a la memoria.
Transferencia de control
Saltos incondicionales desde o hacia procedimientos.
Saltos condicionales.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
25 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
¿Qué es un registro?
Es una ubicación dentro del CPU que almacena una pequeña
cantidad de datos, los cuales pueden ser accesados muy
rápidamente (una vez cada ciclo de reloj).
Entre más pequeño más rápido.
Registros constituyen el corazón/centro de la programación en
ensamblador
Recurso muy importante, pero escaso, en x86.
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
26 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
general purpose
Registros Enteros IA32
%eax
accumulate
%ecx
counter
%edx
data
%ebx
base
%esi
source
index
%edi
destination
index
stack
pointer
base
pointer
%esp
%ebp
32-bits wide
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
27 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
general purpose
Registros Enteros IA32
%eax
%ax
%ah
%al
accumulate
%ecx
%cx
%ch
%cl
counter
%edx
%dx
%dh
%dl
data
%ebx
%bx
%bh
%bl
base
%esi
%si
source
index
%edi
%di
destination
index
%esp
%sp
%ebp
%bp
stack
pointer
base
pointer
16-bit virtual registers
(backwards compatibility)
Instruction Set Architecture
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
28 / 29
Generación de código ejecutable
Arquitectura del conjunto de instrucciones
Fundamentos de x86
Registros x86-64
%rax
%eax
%r8
%r8d
%rbx
%ebx
%r9
%r9d
%rcx
%ecx
%r10
%r10d
%rdx
%edx
%r11
%r11d
%rsi
%esi
%r12
%r12d
%rdi
%edi
%r13
%r13d
%rsp
%esp
%r14
%r14d
%rbp
%ebp
%r15
%r15d
Jorge Castro-Godı́nez
Fundamentos de Arquitectura y Código Máquina
29 / 29