Андрианов. И.А. Методические указания к практическим работам

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматики и вычислительной техники

АРХИТЕКТУРА

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Рабочая программа и методические указания

к практическим работам

Факультет электроэнергетический

Специальность 230105 – Программное обеспечение вычислительной

техники и автоматизированных систем

Вологда

2010

УДК 621.374.1

Архитектура вычислительных систем: рабочая программа и мето-

дические указания к практическим работам: - Вологда: ВоГТУ, 2010 – 32 с.

Приводится рабочая программа дисциплины с указанием тематики ос-

новных разделов, со ссылками на источники информации, практические за-

дания с кратким описанием методики их выполнения и примерами, список

литературы.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Cоставитель И.А. Андрианов, канд. техн. наук, доцент кафедры

автоматики и вычислительной техники

Рецензент А.Н. Швецов, д-р техн. наук, профессор кафедры

информационных систем и технологий

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Цель преподавания дисциплины

Целью изучения данной дисциплины является изучение принципов уст-

ройства и функционирования ЭВМ, а также получения навыков программи-

рования на языке низкого уровня – ассемблере.

1.2. Задачи изучения дисциплины

После изучения курса студенты должны:

Знать:

- архитектуру Intel IA-32 с точки зрения программиста - программную модель

работы процессора, отличия реального и защищенного режима работы, меха-

низмы адресации памяти, систему команд,

- основные команды и директивы языка ассемблер

Уметь:

- разрабатывать и отлаживать программный код на языке ассемблера,

- оптимизировать участки кода на языке высокого уровня с помощью ассемб-

лерных вставок или вызовов процедур из ассемблерных модулей.

Иметь представление о:

- базовых элементах, лежащих в основе современных вычислительных систем,

- разновидностях архитектур вычислительных систем, их особенностях, пре-

имуществах и недостатках, областях применения,

- технологиях повышения производительности вычислений, в том числе кон-

вейерах, суперскалярной архитектуре, параллельных вычислениях.

1.3. Взаимосвязь курса с другими дисциплинами

Изучение дисциплины предполагает предварительную подготовку сту-

дентов по информатике, основам программирования и алгоритмизации,

структурам и алгоритмам обработки данных, электронике. Курс будет вос-

требован в профессиональной деятельности выпускников по специальности,

а также может быть полезен при последующем обучении в аспирантуре.

2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА КУРСА

2.1. Наименование тем лекций и их содержание

1. Многоуровневая организация вычислительных систем. Поколения ЭВМ.

Классификация типов компьютеров.

2. Цифровой логический уровень. Вентили, основные цифровые логические

схемы, арифметические схемы.

3. Цифровой логический уровень. Триггеры, регистры, организация памяти,

микросхемы процессоров, шины. Примеры.

4. Организация памяти и ввода-вывода в компьютерных системах. Основная

память, вспомогательная память, устройства ввода-вывода.

5. Архитектура 32-битных микропроцессоров Intel IA-32. Программная мо-

дель, форматы команд, адресация, поддержка многозадачности.

6. Конвейеризация и суперскалярность на примере процессоров Intel.

7. Основы ассемблера. Представление данных в памяти ЭВМ.

8. Пересылка данных, адресация, сдвиги, целочисленная арифметика.

9. Условные вычисления, циклы. Процедуры. Рекурсия.

10. Обработка массивов и строк.

11. Структуры и макроопределения.

12. Основы создания 32-разрядных программ под Windows.

13. Интерфейс ассемблера с языками высокого уровня.

14. Работа с математическим сопроцессором.

15. Технологии MMX, SSE, 3DNow.

16. Параллельные вычислительные системы.

17. Современные архитектуры вычислительных систем.

2.2. Темы практических работ

1. Представление данных в памяти ЭВМ, основы работы с ассемблером

2. Пересылка данных, адресация памяти, целочисленная арифметика

3. Условия и циклы

4. Процедуры в ассемблере

5. Обработка строк и массивов в ассемблере

6. Интерфейс ассемблера с языками высокого уровня

7. Представление вещественных чисел в памяти ЭВМ, работа с математиче-

ским сопроцессором

8. Самокорректирующиеся коды для хранения и передачи информации в вы-

числительных системах

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ

В настоящее время наиболее распространены вычислительные машины с

Intel-совместимыми процессорами, и для профессиональной деятельности

выпускников в первую очередь требуется знание именно этой архитектуры. В

связи с этим на практических работах рассматривается преимущественно

архитектура IA-32.

Учитывая специфику специальности, 32-разрядная архитектура Intel рас-

сматривается преимущественно с точки зрения программиста, при этом ос-

новное внимание уделено защищенному режиму работы процессора. Также

одна из практических работ посвящена построению и использованию само-

корректирующихся кодов [4], используемых в серверных модулях памяти,

жестких и оптических дисках.

Хотя некоторые задания практикума выполняются без использования

компьютеров, для большинства требуется персональный компьютер с про-

цессором не ниже Pentium и 32-разрядной версией операционной системы

Windows. В качестве языка программирования выбран masm версии 6 как

один из наиболее распространённых ассемблеров в настоящее время, вместе

с ним используются библиотеки пакета Microsoft Platform SDK.

Для проверки некоторых задач по программированию используется элек-

тронный практикум по программированию, расположенный по адресу

http://atpp.vstu.edu.ru/cgi-bin/arh_problems.pl. Работа с данным практикумом

уже знакома студентам 4-го курса, поэтому приведём лишь особенности от-

правки задач на языке ассемблера и для примера рассмотрим решение про-

стой задачи о нахождении суммы двух целых чисел. Ниже приводится лис-

тинг программы, решающей эту задачу.

include masm32rt.inc

.data

in_fmt BYTE "%d %d", 0

out_fmt BYTE "%d", 0

var_a DWORD 1

var_b DWORD 1

.code

main PROC

invoke crt_scanf,ADDR in_fmt,ADDR var_a,ADDR var_b

mov eax, var_a

add eax, var_b

invoke crt_printf, ADDR out_fmt, eax

exit

main ENDP

end main

Обратите внимание на организацию ввода-вывода - здесь используются

функции из библиотеки msvcrt.dll, которая в операционной системе Windows

по умолчанию уже загружена в память. Для доступа к прототипам функций

из неё подключается файл masm32rt.inc.

В компьютерных классах кафедры программное обеспечение для практи-

ческих работ уже настроено требуемым образом (если нет, обратитесь к пре-

подавателю). Для отладки программ на домашнем компьютере рекомендуем

скачать готовый пакет разработчика masm32 с сайта wasm.ru (в разделе "Ин-

струменты"), так как он уже содержит необходимые библиотеки и подклю-

чаемые файлы.

При решении задач не из электронного практикума удобно также исполь-

зовать библиотеку функций с компакт-диска к книге Кипа Ирвина [2], для её

использования нужно подключать файл Irvine32.inc. В частности, очень по-

лезна функция DumpRegs, позволяющая вывести на экран значения всех ре-

гистров общего назначения и флаги. Данную библиотеку можно легко найти

в сети Internet.

Практическая работа 1. Представление данных в памяти ЭВМ,

основы работы с ассемблером

Краткие теоретические сведения и примеры

1. Беззнаковые целые числа. В памяти ЭВМ все данные хранятся с исполь-

зованием двоичной системы счисления, где каждый двоичный разряд (бит)

может принимать только значение 0 или 1. Наиболее просто представляются

беззнаковые целые числа – на ри-

сунке 1 сверху показано 8-разрядное

двоичное число, соответствующее

десятичному 155, а снизу – интер-

претация его разрядов.

Разряды числа принято нумеро-

вать справа налево (то есть от младшего к старшему) начиная с нуля. Напри-

мер, в примере из рисунка 4-й разряд равен 1, а 5-й разряд равен 0.

Напомним из курса информатики, как выполняется перевод из десятичной

системы в двоичную и наоборот. Перевод из двоичной системы в десятичную

понятен из рисунка – мы должны прибавлять те степени двойки, где в разря-

де стоит единица. Для нашего примера получим 2

128+16+8+2+1 = 155.

Несложно выполняется и перевод из десятичной системы в двоичную.

Для этого нужно вначале найти самую большую степень двойки, не превы-

шающую нашего числа. Тем самым получим старший разряд искомого числа

в двоичной системе, который будет равен 1. Затем вычтем эту степень двойки

из нашего числа и с полученной разностью проделаем то же самое, и так да-

лее, пока не дойдём до нуля.

Для примера выполним перевод числа 87. Подходящая степень двойки –

это 64 (так как 128 – уже много). Делаем вывод, что 6-й разряд равен 1. Те-

перь вычитаем: 87-64 = 23. Подходящая степень двойки = 16, значит, 4-й

разряд равен 1. Снова вычитаем: 23-16 = 7. И точно так же находим разряды

2, 1 и 0. В итоге получилось число 01010111. Ведущий нуль можно было бы

опустить, но так мы подчеркиваем, что работаем с 8 разрядами.

Имеется и другой алгоритм перевода из десятичного числа в двоичное. Он

заключается в том, что исходное число делится на 2 – полученный остаток

даёт младший бит результата. Затем частное снова делится на 2 – остаток

даёт следующий бит, и т.д. Однако, для устных вычислений этот способ не

так удобен, как первый.

Хотя ЭВМ оперирует с двоичными числами, для человека двоичная сис-

тема неудобна – числа получаются слишком длинными и плохо запоминаю-

щимися. Использовать десятичную систему при программировании на низ-

ком уровне тоже не всегда удобно. Вместо этого часто используют шестна-

дцатеричную, так как перевод чисел из двоичной системы в шестнадцатерич-

ную и наоборот очень прост и моментально делается в уме при некотором

навыке.

Рис. 1. Интерпретация разрядов

двоичного числа

В шестнадцатеричной системе каждый разряд может принимать значение

от 0 до 15, при этом для удобства вместо цифр от 10 до 15 используются бук-

вы от A до F. Например, десятичное число 125 в шестнадцатеричной системе

выглядит как 7D.

Примечание. В ассемблере чтобы отличить шестнадцатеричное число

от десятичного, в конце ставят букву h. А если число начинается с буквы,

то ставят ещё ведущий нуль. Например, число 7F записывается как 7Fh, а

число A67D как 0A67Dh.

Для перевода числа из шестнадцатеричной системы в двоичную доста-

точно отдельно перевести каждую его цифру, записав её ровно 4 битами

(возможно, с ведущими нулями). Пусть, например, у нас есть шестнадцате-

ричное число C6. Цифра C в двоичном виде – это 1100, цифра 6 – это 0110.

Тогда число C6 в двоичной системе записывается как 11000110. В обратную

сторону перевод выполняется ана-

логично – двоичное число справа

налево разбивается на группы по 4

бита, каждая группа заменяется

шестнадцатеричной цифрой. При-

мер показан на рисунке 2.

При программировании нужно

обязательно учитывать разрядность. Например, 8-битная ячейка памяти мо-

жет хранить 2

=256 различных значений. Если в ней хранится беззнаковое

число, то оно может принимать значения только от 0 до 255. Если же раз-

рядность 16 бит, то диапазон уже будет от 0 до 65535 и т.д.

2. Целые числа со знаком. Несколько сложнее в памяти ЭВМ хранятся чис-

ла со знаком. Положительное число хранится в принципе точно так же, как и

беззнаковое, только в два раза уменьшается диапазон значений. Дело в том, что

старший бит числа теперь служит признаком того, что число отрицательное, и

реально число разрядов становится на 1 меньше. Например, максимально воз-

можное 8-битное число со знаком равно уже не 255, а лишь 127.

Для представления отрицательных чисел недостаточно просто поставить

1 в старший бит - используется более сложный подход – вычисление так на-

зываемого дополнительного кода числа. Пусть N – число двоичных разрядов,

и мы хотим представить отрицательное число минус X. Тогда в эти разряды

нужно записать дополнительный код X.

Дополнительным кодом числа X является число 2

-X, записанный в дво-

ичной системе. Например, пусть у нас 8-разрядов и число минус 37. Допол-

нительным кодом числа 37 будет 2

-37=256-37=219, или 11011011 в двоичной

системе. То есть, по сути, это дополнение числа 37 до 256 (отсюда и название

«дополнительный»). Обратите внимание – старший бит получился равен 1 -

сразу видно, что у нас отрицательное число.

Если число X задано в двоичной системе, то его дополнительный код

можно найти также следующим простым способом:

1. Инвертировать все биты в числе.

Рис.2. Связь между двоичной

и шестнадцатеричной системами

2. Прибавить к числу единицу. Если будет перенос за пределы разрядной

сетки, игнорировать.

Для примера рассмотрим снова число 37 и 8 разрядов. В двоичном виде

число 37 - это 00100101 (ведущие нули обязательны). Инвертировав, получа-

ем 11011010. Прибавив единицу, получим результат 11011011. Заметим, что

если бы у нас было 16 разрядов, дополнительный код стал бы другим –

1111111111011011.

Может возникнуть вопрос – зачем так сложно представлять отрицатель-

ные числа – не проще было бы просто ставить 1 в старший бит, если число

отрицательное? Дело в том, что такой вариант имеет ряд недостатков. Во-

первых, получается два отдельных нуля – «плюс нуль» и «минус нуль», что

несколько странно (хотя в вещественных числах, например, так и есть). Во-

вторых, за счёт лишнего нуля на единицу уменьшается возможный диапазон

чисел. И главное: арифметические операции в дополнительном коде реали-

зуются аппаратно более эффективно, так как вычитание можно заменить на

сложение с дополнительным кодом и тем самым нет необходимости аппарат-

но реализовывать операцию вычитания. Также сложение беззнаковых чисел

и чисел со знаком в дополнительном коде аппаратно выполняется одинаково.

Диапазон N-разрядных чисел со знаком составляет от -2

N-1

до 2

N-1

-1. На-

пример, 8-разрядные числа могут принимать значения от -128 до 127. Обра-

тите внимание – число -128 есть, а +128 – нет.

3. Представление многобайтовых целых чисел в памяти. В архитекту-

ре Intel принят так называемый прямой порядок хранения – то есть число

хранится от младших байтов к старшим в порядке увеличения адресов. На-

пример, если у нас имеется шестнадцатеричное двухбайтовое число 0CA7,

хранящееся по логическому адресу 00000000, то байт A7 хранится по адресу

00000000, а байт 0C – по адресу 00000001. При программировании могут

возникнуть ситуации, где это следует учитывать (например, вы хотите про-

читать из памяти старший байт чиcла).

Примечание. В других архитектурах это свойство может и не выпол-

няться. Например, внутри сетевых пакетов протоколов TCP/IP байты чисел

располагаются в противоположном порядке.

Контрольные вопросы и задания

Во всех приведенных заданиях не пользуйтесь компьютером и калькулято-

ром, постарайтесь все вычисления провести в уме (вначале можно на бумаге).

1. Представьте следующие числа в двоичной системе счисления, не пользуясь

компьютером и калькулятором: 9, 25, 80, 127, 128, 250.

2. Переведите следующие беззнаковые двоичные числа в десятичную систему,

не пользуясь компьютером и калькулятором: 11111000, 00110101, 11001100.

3. Запишите следующие шестнадцатеричные числа в двоичной системе (ис-

пользуйте быстрый способ перевода): 23A745F1, 75AB63CD, ABCDEF01

4. Напишите двоичное представление следуюших отрицательных чисел в

дополнительном коде (числа 8-разрядные): -25, -1, -100, -127, -128. Также

напишите результат и в шестнадцатеричном виде.

5. Даны следующие знаковые двоичные числа (8-разрядные): 10110101,

11001100, 11111111, 10000000, 00110011. Представьте их в десятичной сис-

теме счисления.

6. Как выглядит шестнадцатеричное представление байта, содержащего ми-

нимальное однобайтовое отрицательное число? Тот же вопрос для двух и

четырех байтов.

7. Пусть в памяти располагаются последовательно друг за другом числа

5678h и 1234h. Если эти 4 байта в памяти рассматривать как одно 4-байтное

число, то что это будет за число?

Задания по программированию

1. Проверьте на ассемблере, правильно ли вы выполнили 7-е задание. Для

этого в текстовом редакторе введите следующий код:

INCLUDE Irvine32.inc

.data

v WORD 5678h, 1234h

.code

main PROC

mov eax, DWORD PTR v

call DumpRegs

exit

main ENDP

end main

Сохраните его под именем z_1_7.asm. Откомпилируйте файл – для этого

запустите интерпретатор командной строки (cmd.exe), с помощью команды

cd перейдите в каталог, куда вы сохранили файл и выполните команду

make32 z_1_7. В результате запустится bat-файл, который выполнит компи-

ляцию и компоновку программы.

Примечание. Если на вашей машине настроены ассоциации файлов в фай-

ловом менеджере Far, то для компиляции и компоновки достаточно встать

в нём на файл и нажать Enter.

Запустите полученный файл z_1_7.exe и проверьте, совпадает ли полу-

чившийся ответ с тем, что вы предполагали.

2. Напишите самостоятельно программу, решающую следующую задачу.

В памяти располагается одно 4-байтовое число (задайте его как константу).

Вам требуется положить его нулевой (младший) байт в регистр eax, первый –

в регистр ebx, второй – в ecx и последний – в edx. Для информации о коман-

дах ассемблера обращайтесь к лекциям или книгам из приведенного в конце

списка литературы.

Практическая работа 2. Пересылка данных, адресация памяти,

целочисленная арифметика

Краткие теоретические сведения и примеры

1. Пересылка данных. Для копирования данных из операнда-источника в

операнд-получатель предназначена команда mov:

mov получатель, источник

В качестве одного из операндов обязательно должен быть регистр, оба

операнда должны иметь одинаковую длину. Если всё же требуется переслать

более короткий операнд в более длинный, применяется специальная команды

movzx (для беззнаковых чисел) и movsx (для чисел со знаком), например,

movzx eax, bl. Для обмена содержимого ячейки памяти и регистра (или

двух регистров) имеется удобная команда xchg.

Рассмотрим, каким образом в командах можно обратиться к требуемой

ячейке памяти. Пусть у нас объявлен массив varA:

varA DWORD 1,2,3,4,5

Для передачи первого элемента этого массива в регистр eax нужно напи-

сать такую команду: mov eax, varA. Здесь запись varA означает ячейку

памяти по смещению varA (конкретное числовое значение смещения будет

определено при компиляции). Можно использовать и запись [varA] – никакой

разницы в данном случае не будет.

Для обращения ко второму элементу нужно к varA прибавить размер эле-

мента, то есть команда будет выглядеть как mov eax, varA+4. Можно также

написать mov eax, [varA+4] или mov eax, varA[4]. Но наиболее правильным

подходом будет не писать явно размер элемента, а воспользоваться операто-

ром TYPE: mov eax, [varA + TYPE varA].

Кроме TYPE, также часто используются оператор SIZEOF – размер мас-

сива в байтах и LENGTHOF – количество элементов в массиве.

2. Арифметичские команды. Команда inc увеличивает аргумент на еди-

ницу, dec – уменьшает на единицу. Команда add прибавляет операнд-

источник к операнду-получателю данных:

add получатель источник

Для операндов команды add применяются те же ограничения, что и для mov.

Примечание. Заметим, что для команды add неважно, складываем мы

числа со знаком или без знака. Алгоритм сложения всё равно один и тот же

за счет применения дополнительного кода (см. практ. работу 1), а интер-

претация аргументов и результата оставляется программисту.

Команда add изменяет значения следующих флагов: CF (перенос), ZF

(нуль), SF (знак), OF (переполнение), AF (служебный перенос), PF (четность).

Рассмотрим более подробно некоторые из флагов.

Флаг ZF=1, если результат равен нулю. Флаг SF=1, если результат отри-

цательный (то SF – просто копия старшего бита результата). Флаг CF=1, если

произошёл перенос бита за пределы разрядной сетки. Это может произойти,