Leksione 3 & 4

R. Vasili - Gjuha Assembly – Universiteti i Gjirokastrës

«Ε. Çabej»

Simestri I – Teknololgji Informacioni

Leksione 3 dhe 4

Arkitektura e Proçesoreve Intel IA-32

Pergatiti: Roland Vasili – Bazuar në Slidet e Kip Irvine2

Çeshtjet që do shqyrtohen

• Koncepte të përgjithshme

• Arkitektura e Proçesorëve IA-32

• Menaxhimi i Kujteses në IA-32

• Komponentët e një Mikrokompjuteri në IA-32

• Sistemi i Hyrje-Daljes(Input-Output)


Koncepte të përgjithshme

• Konstruksioni themelor i një mikrokompjuteri

• Cikli i ekzekutimit të një instruksioni

• Leximi nga Kujtesa

• Si ekzekutohen programet


Konstruksioni themelor i një mikrokompjuteri

• Sahati(clock) sinkronizon operimet e CPU-së

• Njësia e kontrollit(CU) koordinon sekuencën e hapave të ekzekutimit

• ALU kryen përpunime aritmetike dhe logjike

Central Processor Unit

(CPU)

Memory Storage

Unit

registers

ALU clock

I/O

Device

#1

I/O

Device

#2

data bus

control bus

address bus

CU


Sahati(Clock)

• Sinkronizon të gjitha operimet e CPU-së dhe BUS-it

• Cikli(i sahatit) i makinës mat kohen e një operimi të

vetëm

• Sahati(clock) përdoret për të shkaktuar ndodhi(events)

one cycle

1

0


Në vazhdim







Cikli i ekzekutimit të Instruksionit

• Fetch

• Dekodo

• Operandët Fetch

• Ekzekuto

• Ruaj daljen

I-1 I-2 I-3 I-4

PC program

I-1instruction

register

op1op2

memory fetch

ALU

registers

write

decode

execute

read

write

(output)

registers

flags


Pipezim Shumë-Fazor(Multi-Stage)

• Pipezimi bën të mundur që proçesorët të ekzekutojnë

instruksionët në paralel

• Ekzekutimi i instruksioneve ndahet në stade të fundme

S1 S2 S3 S4 S5

1

Cycle

s

Stages

S6

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

I-1

I-2

I-1

I-2

I-1

I-2

I-1

I-2

I-1

I-2

I-1

I-2

Shembull i një

proçesori të papipezuar.

Shumë cikle të

shpërdorura.


Ekzekutimi i Pipezuar

• Përdorim më eficient i cikleve, levizje më e madhe instruksionesh:

S1 S2 S3 S4 S5

1

Cycle

s

Stages

S6

2

3

4

5

6

7

I-1

I-2 I-1

I-2 I-1

I-2 I-1

I-2 I-1

I-2 I-1

I-2

Për k gjendje dhe n

instruksione, numri i

cikleve të nevojshme

është:

k + (n – 1)


Cikle të Shpërdorura (të pipezuara)

• Kur një nga stadet kërkon dy ose më shumë cikle sahati, ciklet e sahatit përsëri shpërdorohen.

S1 S2 S3 S4 S5

1

Cycle

s

Stages

S6

2

3

4

5

6

7

I-1

I-2

I-3

I-1

I-2

I-3

I-1

I-2

I-3

I-1

I-2 I-1

I-1

8

9

I-3 I-2

I-2

exe

10

11

I-3

I-3

I-1

I-2

I-3


instruksione, numri I


është:

k + (2n – 1)


Proçesorë Superskalar

Një proçesor superscalar ka pipëza shumëfishe ekzekutimi. Në figurën që vijon, vini re që Stadi S4 ka pipëza nga e majta dhe e djathta (u dhe v).

S1 S2 S3 u S5

1

Cycle

s

Stages

S6

2

3

4

5

6

7

I-1

I-2

I-3

I-4

I-1

I-2

I-3

I-4

I-1

I-2

I-3

I-4

I-1

I-3 I-1

I-2 I-1

v

I-2

I-4

S4

8

9

I-3

I-4

I-2

I-3

10 I-4

I-2

I-4

I-1

I-3


instruksione, numri I


është:

k + n


Leximi nga Kujtesa

• Për të lexuar nga kujtesa nevojiten cikle shumëfishe makine, për arsye se reagon shumë më ngadalë se CPU-ja. Hapat janë:

• adresa vendoset në linjën(bus) e adresave

• Read Line (RD) vendoset në nivel të ulet

• CPU pret bjë cikël për të reaguar kujtesa

• Read Line (RD) bëhet 1, duke treguar që të dhenat ndodhen në linjën e të dhenave(data bus)

Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4

Data

Address

CLK

ADDR

RD

DATA


Kujtesa e Fshehtë(Cache Memory)

• Kujtesë RAM me shpejtësi të lartë shumë e shtrenjtë

brenda dhe jashtë CPU-së.

• Level-1 cache: brenda CPU-së

• Level-2 cache: jashtë CPU-së

• Cache hit: kur të dhenat që do lexohen ndodhen në

kujtesën e fshehtë(cache)

• Cache miss: kur të dhenat që do lexohen nuk

ndodhen në kujtesën e fshehtë(cache).


Si ekzekutohet një program

Operating

system

User

Current

directory

System

path

Directory

entry

sends program

name to

gets starting

cluster from

searches for

program in

loads and

starts

Program

returns to


Multitasking

• OS mund të ekzekutojë shumë programe

njëkohësisht.

• Shumë fije ekzekutimi të të njëjtit program.

• Ndihmesa Scheduler i jep një sasi të dhenë kohe prej

kohës së disponueshme të proçesorit(CPU) secilit

program që ekzekutohet.

• Kalimi i menjëhershëm nga një detyrë në tjetrën

• jep iluzionin se të gjitha programet ekzekutohen

njëkohësisht

• proçesori duhet të suportojë “task switching”.


Arkitektura e Proçesorëve IA-32

• Mënyrat e operimit

• Ambjenti themelor i ekzekutimit

• Njësia e pikës së lëvizshme(Floating-point Unit)

• Historia e Mikroproçesorëve Intel


Mënyra Operimi

• Mënyra e Mbrojtur(Protected mode)

• Mënyra natyrale(Windows, Linux)

• Mënyra Reale e adresimit(Real-address mode)

• mund të përdoret për ekzekutimin e një programi MS-

DOS që i nevojitet akses direkt te kujtesa e sistemit dhe

paisjet hardware

• Mënyra Menaxhim Sistemi (System management mode)

• Menaxhim energjie, siguria e sistemit, diagnoza

• Mënyra Virtuale 8086 (Virtual-8086 mode)

• hibride e Mënyrës së Mbrojtur

• çdo program ka kompjutërin e vet 8086


Ambjenti themelor i ekzekutimit

• Kujtesë e adresueshme

• Regjistrat me përdorim të përgjithshëm

• Regjistrat Index dhe Base

• Përdorim i Specializuar regjistri

• Flamujtë e gjendjes (Status flags)

• Regjistrat Floating-point, MMX, XMM


Kujtesë e Adresueshme

• Në Protected mode

• 4 GB

• 32-bit adresa

• Në mënyrat Real-address dhe Virtual-8086

• 1 MB hapësirë

• 20-bit adresa


Regjistrat me përdorim të përgjithshëm

CS

SS

DS

ES

EIP

EFLAGS

16-bit Segment Registers

EAX

EBX

ECX

EDX

32-bit General-Purpose Registers

FS

GS

EBP

ESP

ESI

EDI

• vendndodhje magazinash me shpejtësi të lartë brenda

CPU-së

• shpejtësi shumë më e lartë nga kujtesat konvencionale


Aksesi Pjesor i Regjistrave

• Përdoret emër 8-bit, emër 16-bit, ose emër 32-bit

• Aplikohet te EAX, EBX, ECX, dhe EDX

AH AL

16 bits

8

AX

EAX

8

32 bits

8 bits + 8 bits


Regjistrat Index dhe Base

• Disa regjistra kanë vetëm një emër 16-bit për

gjysmën e tij të ulët:


Disa Përdorime të Specializuar Regjistri (1 nga 2)

• General-Purpose

• EAX – accumulator

• ECX – numëruesi i ciklit

• ESP – stack pointer

• ESI, EDI – index registers

• EBP – extended frame pointer (stack)

• Segment

• CS – code segment

• DS – data segment

• SS – stack segment

• ES, FS, GS – segmente shtesë


• EIP – instruction pointer

• EFLAGS

• status and control flags

• çdo flag është një bit i vetëm binar

Disa Përdorime të Specializuar Regjistri (2 nga 2)


Flamujtë e Gjendjes(Status Flags)

• Carry

• aritmetikë pa shenjë jashtë rangut

• Overflow

• aritmetikë me shenjë jashtë rangut

• Sign

• rezultati është negativ

• Zero

• rezultati është zero

• Auxiliary Carry

• Mbartje nga biti 3 te biti 4

• Parity

• Shuma e 1-biteve është numër çift


Regjistrat Floating-Point, MMX, XMM

• Tetë 80-bit regjistra të dhenash floating-point

• ST(0), ST(1), . . . , ST(7)

• Përdoret për gjithë aritmetikën me

pikë të levizshme(floating-point)

• Tetë regjistra 64-bit MMX

• Tetë regjistra 128-bit XMM për veprime

single-instruction multiple-data (SIMD)

ST(0)

ST(1)

ST(2)

ST(3)

80-bit Data Registers

FPU Data Pointer

Tag Register

Control Register

Status Register

ST(4)

ST(5)

ST(6)

ST(7)

FPU Instruction Pointer

Opcode Register

16-bit Control Registers

48-bit Pointer Registers


Historia e Mikroproçesorëve Intel

• Intel 8086, 80286

• Familja e proçesorëve IA-32

• Familja e proçesorëve P6

• CISC dhe RISC


Mikroproçesorët e Parë Intel

• Intel 8086/8088

• IBM-PC ka përdorur 8088

• 1 MB RAM e Adresueshme

• 16-bit regjistra

• 16-bit data bus (8-bit për 8088)

• Njësi e veçantë floating-point (8087)


IBM-AT

• Intel 80286

• 16 MB RAM e Adresueshme

• Kujtesë e Mbrojtur

• Shumë herë më e shpejtë se 8086

• paraqitet IDE bus architecture

• 80287 floating point unit


Intel IA-32 Family

• Intel386

• 4 GB RAM e Adresueshme, 32-bit

regjistra, faqimi (kujtesa virtuale)

• Intel486

• instruction pipelining

• Pentium

• superscalar, 32-bit address bus,

• 64-bit linja e brendshme e të dhenave


Familja Intel P6

• Pentium Pro

• Teknika të avancuara optimizimi në microcode

• Pentium II

• MMX (multimedia) instruction set

• Pentium III

• SIMD (streaming extensions) instructions

• Pentium 4 and Xeon

• Intel NetBurst micro-architecture, e akorduar për

multimedia


CISC dhe RISC

• CISC – complex instruction set

• set i madh instruksionesh

• operime high-level

• kërkon microcode interpreter

• shembuj: familja Intel 80x86

• RISC – reduced instruction set

• i thjeshtë, instruksione atomic

• set i vogël instruksionesh

• të ekzekutuar direkt nga hardware

• shembuj :

• ARM (Advanced RISC Machines)

• DEC Alpha (tani Compaq)


Në vazhdim







Menaxhimi i Kujteses në IA-32

• Mënyra Reale e Adresimit(Real-address mode)

• Llogaritja e Adresave Lineare

• Protected mode

• Modeli Shumë-segmentesh

• Faqimi(Paging)


Mënyra Reale e Adresimit(Real-address mode)

• Maksimalisht 1 MB RAM e adresueshme

• Programet Aplikative mund të aksesojnë

çdo hapësirë të kujtesës

• Single tasking

• E suportuar nga sistemi operativ MS-DOS


Kujtesë e Segmentuar

Adresimi i kujtesës së segmentuar: adresa absolute (linear) është

një kombinim i një vlere 16-bit segmenti e shtuar një ofseti 16-bit

00000

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

A0000

B0000

C0000

D0000

E0000

F0000

8000:0000

8000:FFFF

seg ofs

8000:0250

0250

një segment


Llogaritja e Adresave Lineare

• Një adresë segmenti të dhenë, shumëzojeni me 16

(shtoni një zero hexadecimal), dhe shtojeni ate te ofseti

• Shembull: konvertoni 08F1:0100 në një adresë lineare

Vlera e rregulluar

e Segmentit : 0 8 F 1 0

Shto ofsetin: 0 1 0 0

Adresa Lineare: 0 9 0 1 0


Rradha Juaj. . .

Cila adresë lineare i korrespondon adresës me

segment/offset 028F:0030?

028F0 + 0030 = 02920

Përdorni gjithmonë shënimin hexadecimal për adresat.


Rradha Juaj. . .

Cila adresë segmenti i korrespondon adresës lineare 28F30h?

Adresa të ndryshme segment-offset mund të prodhojnë

adresën lineare 28F30h. Për shembull:

28F0:0030, 28F3:0000, 28B0:0430, . . .


Mënyra e Mbrojtur(Protected Mode) (1 nga 2)

• 4 GB RAM e adresueshme

• (00000000 to FFFFFFFFh)

• Çdo programi i jepet nje ndarje kujtese që është e

mbrojtur nga programet e tjera

• E ndërtuar për multitasking

• Suportohet nga Linux & MS-Windows


• Tabela përshkrimi për Segmentin

• Struktura e Programit

• Hapësirë kodi, të dhenash, dhe stive

• CS, DS, SS segment descriptors

• global descriptor table (GDT)

• Programet MASM përdorin modelin e kujtesës flat

të Microsoft

Mënyra e Mbrojtur(Protected Mode) (1 nga 2)


Modeli Flat Segment

• Single global descriptor table (GDT).

• Të gjitha segmentet planifikohen te e gjithë hapësira

e adresave 32-bit

00000000

FFFFFFFF

(4GB)

physic

al R

AM

00000000

Segment descriptor, in the

Global Descriptor Table

00040 - - - -

base address limit access

00040000

not u

sed


Multi-Segment Model

• Çdo program ka një local descriptor table (LDT)

• mban descriptor për çdo segment të përdorur nga programi

3000

RAM

00003000

Local Descriptor Table

0002

00008000 000A

00026000 0010

base limit access

8000

26000


Faqimi(Paging)

• Suportohet direkt nga CPU

• Ndan çdo segment në blloqe 4096-byte të quajtura

faqe

• Shuma e të gjitha programeve mund të bëhet më e

madhe kujtesa natyrale

• Një pjesë e programit që ekzekutohet ndodhet në

kujtesë, dhe një pjesë në disk

• Virtual memory manager (VMM) – ndihemsë e

Sistemit Operativ që menaxhon ngarkimin dhe

shkarkimin e faqeve

• Page fault – emetohet nga CPU kur faqja duhet të

ngarkohet nga disku


Në vazhdim







Komponentët e një Mikrokompjuteri në IA-32

• Motherboard

• Dalja Video

• Kujtesa

• Portat e Hyrje-Daljes(Input-output)


Motherboard

• CPU socket

• External cache memory slots

• Main memory slots

• BIOS chips

• Sound synthesizer chip (me opsion)

• Video controller chip (me opsion)

• IDE, parallel, serial, USB, video, keyboard, joystick,

network, dhe mouse connectors

• PCI bus connectors (karta zgjeruese)


Intel D850MD Motherboard

dynamic RAM

Pentium 4 socket

Speaker

IDE drive connectors

mouse, keyboard,

parallel, serial, DHE

USB connectors

AGP slot

Battery

Video

Power connector

memory controller hub

Diskette connector

PCI slots

I/O Controller

Firmware hub

Audio chip

Burimi: Intel® Desktop Board D850MD/D850MV Technical Product

Specification


Video Output

• Video controller

• mbi motherboard, ose mbi expansion card

• AGP (accelerated graphics port technology)*

• Video memory (VRAM)

• Video CRT Display

• përdor skanim raster

• horizontal retrace

• vertical retrace

• Monitorë Direkt dixhital LCD

• Nuk ka nëvojë të përdor skanim raster

http://www.intel.com/technology/agp/toverview.htm


Shembull Video Controller (ATI Corp.)

• 128-bit 3D graphics performance powered by RAGE™ 128 PRO

• 3D graphics performance

• Intelligent TV-Tuner with Digital VCR

• TV-ON-DEMAND™

• Interactive Program Guide

• Still image and MPEG-2 motion video capture

• Video editing

• Hardware DVD video playback

• Video output to TV or VCR


Kujtesa

• ROM

• read-only memory

• EPROM

• erasable programmable read-only memory

• Dynamic RAM (DRAM)

• e lirë; duhet rifreskuar në menyrë konstande

• Static RAM (SRAM)

• e shtrenjtë; përdoret për cache memory; nuk ka nevojë

për rifreskim

• Video RAM (VRAM)

• dual ported; i optimizuar për constant video refresh

• CMOS RAM

• complimentary metal-oxide semiconductor

• Informacion për nisjen e sistemit


Portat e Hyrje-Daljes(Input-Output)

• USB (universal serial bus)

• lidhje inteligjente high-speed me paisje

• deri në 480 megabits/sekondë

• USB hub lidh shumë paisje(devices)

• enumeration: compjuteri pyet paisjet

• suporton lidhje të nxehta(hot connections)

• Paralel

• kabëll i shkurtër, high speed

• zakonisht për printera

• transferim bidirectional, parallel të dhenash


Portat e Hyrje-Daljes(Input-Output)(vazhdim)

• Serial

• RS-232 serial port

• një bit njëherësh

• Përdor kabëll të gjatë dhe modeme

• Programmohet në gjuhë assembly


Në vazhdim







Nivelet e Hyrje-Daljes(Input-Output levels)

• Niveli 3: Thërret një funksion librarie (C++, Java)

• e lehtë të bëhet; i abstraktuar nga hardware; detajet fshihen

• përformancë më e ulët

• Niveli 2: Thërret një funksion të sistemit operativ

• Specifik te SO; i pavarur nga paisja(device-independent)

• përformancë mesatare

• Niveli 1: Thërret një funksion BIOS (basic input-output system)

• Nëvojiten dije mbi hardware

• Zakonisht përformancë e mirë

• Niveli 0: Komunikon direkt me hardware

• Mund të mos lejohet nga disa sisteme operative


Afishimi i një Vargu me Karaktere

Kur një HLL program

afishon një varg

karakteresh, kanë vend

hapat që vijojnë:

Application Program

OS Function

BIOS Function

Hardware Level 0

Level 1

Level 2

Level 3


Nivelet e Programimit ASM

ASM Program

OS Function

BIOS Function

Hardware Level 0

Level 1

Level 2

Programet ASM mund të kryejnë hyrje-dalje

në secilin nga nivelet që vijojnë:


Përmbledhje

• Njësia Qendrore e Përpunimit (CPU)

• Njësia Aritmetike Logjike (ALU)

• Cikli i ekzekutimit të Instruksionit

• Multitasking

• Floating Point Unit (FPU)

• Seti Kompleks i Instruksioneve

• Menyra Reale(Real mode) dhe Menyra e

Mbrojtur(Protected Mode)

• Komponentët e Motherboard-it

• Tipe Kujtese

• Input/Output dhe nivelet e aksesit


42 69 6E 61 72 79

Software

Leksione 3 & 4