Unité 5a: Architecture du Pentium Objectifs : À la fin de cette unité vous connaîtrez l'architecture du Pentium du point de vue du programmeur. Pour y arriver, vous devrez avoir atteint les objectifs suivants : - énumérer les registres du Pentium accessibles au programmeur. - énumérer les indicateurs usuels et décrire leur rôle. 24

Unité 5a: Architecture du Pentium Pourquoi l’assembleur ? • Rapide • Compact • Puissant • Pour mieux comprendre et utiliser : • les langages de haut niveau : - variables globales - variables locales et allocation dynamique - passage de paramètres et variables registres - déboguage 25

Unité 5a: Architecture du Pentium Pourquoi l’assembleur ? • Pour mieux comprendre et utiliser : • les compilateurs : - édition de liens - génération de code • La structure interne des processeurs • La virgule flottante • Les interruptions • Pour mieux accéder aux périphériques 26

Unité 5a: Architecture du Pentium Pourquoi l’assembleur ? • Universellement utilisé • Indispensable dans la programmation des microcontrôleurs ou des systèmes embarqués • Finalement, parce que c’est amusant!! 27

Unité 5a: Architecture du Pentium Inconvénients de l’assembleur ? • Plus long à programmer que les langages de haut niveau • Pas de vérification de types • Pas de structures de contrôle (if, while, etc.) • Dépend du processeur 28

Unité 5a: Architecture du Pentium Architecture de von Neumann 29

Unité 5a: Architecture du Pentium Architecture de von Neumann Exécution séquentielle des instructions • Chargement (fetch) de l’instruction dans IR • Décodage de l’instruction • Chargement des opérandes s’il y a lieu • Exécution • Écriture du résultat Même avec une horloge de 500 MHz, un tel processeur serait plus lent que les processeurs d’aujourd’hui. Pourquoi ? 30

Unité 5a: Architecture du Pentium Architecture de von Neumann • Les registres n’ont que 8 bits • Bus d’adresses de 16 bits -> 64 Ko max de RAM • Même si on mettait tous les registres à 32 bits et des bus de données et d’adresses de 32 bits, on n’aurait pas encore une performance élevée. • Les accès mémoire prennent de l’ordre de 100 ns. Le processeur a un temps de cycle de 2 ns à 500 MHz. • Il faudrait donc ajouter un cache de niveau 1 sur la puce et un cache de niveau 2. • Il manque encore la virgule flottante et la mémoire virtuelle. 31

Unité 5a: Architecture du Pentium Architecture de von Neumann • Même en ajoutant des instructions de virgule flottante et la mémoire virtuelle, on n’aurait pas encore une performance comparable à celle des processeurs actuels. • En effet, il n’y a qu’une unité d’exécution. Chaque instruction prend au moins quatre à six cycles : - Chargement de l’instruction - Décodage de l’instruction - Exécution de l’instruction - Écriture du résultat. • Et, le cas échéant, - Chargement d’un ou deux opérandes 32

Unité 5a: Architecture du Pentium Architecture de von Neumann Or les processeurs actuels effectuent en moyenne plus d’une instruction par cycle. Comment y parviennent-ils ? 33

Unité 5a: Architecture du Pentium Amélioration de la performance Examinons différentes façons d’améliorer la performance d’un proces-seur : 1. Augmenter la vitesse de l’horloge. • Ceci implique généralement la réduction de la géométrie sur la puce pour minimiser les délais de propagation et la consommation de puissance. La technologie en est aujourd’hui à ~ 0,15 microns (µm). Les vitesses d’horloge atteignent présentement ~1000 MHz. 34

Unité 5a: Architecture du Pentium Amélioration de la performance 2. Exécuter les différentes instructions de façon combinatoire plutôt que séquentielle. Multiplicateurs combinatoires, décaleurs à barillet, retenue anticipée. Viser à ce que la plupart des instructions s’exécutent en 1 cycle d’horloge. 3. Introduire du parallélisme • Pipeline. • Plusieurs unités d’exécution travaillant simultanément : Processeurs superscalaires (plus d’une instruction par cycle d’horloge). • Prédiction de branchements. 35

Unité 5a: Architecture du Pentium Amélioration de la performance 4. Minimiser les accès à la mémoire • Mémoire cache pour les données et les instructions sur la puce du processeur lui-même. • Plus grand nombre de registres. 5. Augmenter la bande passante du bus • Les processeurs modernes ont des bus de données de plus en plus larges, ce qui augmente la quantité d’informations (données et instructions) lues lors de chaque accès à la mémoire. Par exemple, le bus de données du Pentium est de 64 bits. 36

Unité 5a: Architecture du Pentium Le Pentium II 37

Unité 5a: Architecture du Pentium Le Pentium II Le Pentium est un processeur CISC : • Nombre élevé d’instructions • La plupart des instructions peuvent accéder à la mémoire • Instructions de longueur très variable (8 à 108 bits) • Faible nombre de registres (4 registres généraux) • On ne vise pas l’exécution de chaque instruction en 1 cycle Il adopte cependant plusieurs des principes de la technologie RISC : • Pipeline • Multiples unités d’exécution 38

Unité 5a: Architecture du Pentium Le Pentium II 39

Unité 5a: Architecture du Pentium Registres de base 31 15 7 A H A L EAX AX B H B L EBX BX Registres généraux C H C L ECX CX D H D L EDX DX Source index SI ESI Destination index DI EDI Base pointer BP EBP Stack pointer SP ESP Registres de Segment Registres fantômes 15 CS C o d e Descriptor DS D a t a Descriptor SS S t a c k Descriptor ES E x t r a Descriptor FS F Descriptor GS G Descriptor 31 Registres d'état et de contrôle FLAGS EFLAGS 31 IP EIP 40

Unité 5a: Architecture du Pentium Registres généraux Accumulateur eax, ax, ah, al Registre de Base ebx, bx, bh, bl Registre de Comptage ecx, cx, ch, cl Registre de Données edx, dx, dh, dl Indice source esi,si Indice destination edi,di Pointeur de base ebp,bp Pointeur de pile (stack) esp, sp 41

Unité 5a: Architecture du Pentium Registres de segment Segment code CS Segment pile SS Segment données DS Segment extra ES Segment F FS Segment G GS Autres Compteur ordinal EIP Registre d’état et de contrôle EFlags 42

Unité 5a: Architecture du Pentium Registres de virgule flottante Registres de données Signe 79 78 64 63 R0 Exposant Mantisse R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 15 47 Registre de Pointeur d'instruction de FPU contrôle Registre Pointeur d'opérande de FPU d'état Registre 10 Étiquette Opcode 43

Unité 5a: Architecture du Pentium Registres MMX Il est à noter que ces 8 registres sont physiquement les mêmes que les registres de virgule flottante. 63 MM0 MM1 MM2 MM3 MM4 MM5 MM6 MM7 44

Unité 5a: Architecture du Pentium Registres SIMD Il est à noter que ces 8 registres sont physiquement les mêmes que les registres de virgule flottante. 127 XMM0 XMM1 XMM2 XMM3 XMM4 XMM5 XMM6 XMM7 45

Unité 5a: Architecture du Pentium Le registre EFLAGS 3 1 1 6 1 5 8 7 I V V A V R N I O O D I T S Z A P C I I D C M F T P L F F F F F F F F 1 F P F CF = Carry Flag PF = Parity Flag AF = Auxiliary Carry Flag ZF = Zero Flag SF = Sign Flag TF = Trap Flag IF = Interrupt Enable Flag DF = Direction Flag OF = Overflow Flag IOPL = I/O Privilege Level NT = Nested Task Flag RF = Resume Flag VM = Virtual 386 Mode AC = Alignment Check VIF = Virtual Interrupt Flag VIP = Virtual Interrupt Pending ID = Identification Flag 46

Unité 5a: Architecture du Pentium Autres registres CR0 à CR4 (mémoire virtuelle) Global Descriptor Table Register GDTR Interrupt Descriptor Table Register IDTR Local Descriptor Table Register LDTR Task Register TR Debug Registers DR0 à DR7 Test Registers TR6 et TR7 Time Stamp Counter TSC 47

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique • L’histoire de la famille 80x86 d’Intel commence dans les années 70 avec le 8080, un processeur de 8 bits avec un bus d’adresses de 16 bits, qui pouvait adresser un total de 64 Ko. • Vers 1980, le 8086 et le 8088 font leur apparition, ce dernier avec le premier PC d’IBM. Ce sont des processeurs de 16 bits avec un bus d ’adresses de 20 bits, qui avaient une capacité d ’adressage de 1 Mo. Le 8088 diffère du 8086 par la largeur du bus de données externe qui est de 8 bits. 48

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique • Toutefois, même si le bus d’adresses était de 20 bits, les registres internes d’adresses étaient toujours de 16 bits pour assurer la compatibilité avec le 8080. Comment donc accéder au reste de la mémoire? • Toute la complexité des processeurs Intel vient de la solution adoptée à cette époque pour régler ce problème. 49

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique On décida que l’adresse serait constituée des 16 bits des registres internes ajoutée à 16 fois le contenu d’un de quatre registres appelés registres de segment. Segment 0000 + Offset 16 bits Adresse 20 bits Ces quatre registres étaient CS (Code Segment), DS (Data Segment), SS (Stack Segment) et ES (Extra Segment). 50

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique • On remarque que chaque segment a une taille de 64 Ko (offset 16 bits), et que la distance entre chaque segment peut aller de 16 octets à 64 Ko. La capacité totale d ’adressage est : FFFF0 + FFFF = 10FFEF, qui dépasse légèrement 1 Mo (FFFFF). • Le 80286 fait son apparition quelques années plus tard avec un bus d’adresses de 24 bits (capacité de 16 Mo). C’est là que les choses se compliquent. 51

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique • Jusqu’alors, les processeurs fonctionnaient en ce qu’Intel appelle le « mode réel ». Les systèmes d’exploitation utilisés avec ces processeurs étaient mono-tâches et mono-usagers. Les registres de segment contenaient de vraies adresses, et l’utilisateur pouvait accéder sans limite à toutes les ressources du système : les périphériques, les interruptions, etc. • Toutefois, les registres de segment demeuraient de 16 bits. Comment donc accéder aux 16 Mo que permettait le bus d’adresses de 24 bits du 80286? 52

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique • Pour permettre l’avènement de systèmes d’exploitation plus performants et une plus grande capacité de mémoire, Intel introduisit avec le 80286 le « mode protégé ». • Mais comme la plupart des applications roulant sous MS-DOS, qui dominait le marché, étaient incompatibles avec le mode protégé, on continua pendant des années à fonctionner en mode réel avec une capacité de mémoire de 1 Mo. 53

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique • Le 80286 fut donc longtemps considéré comme un 8086 rapide parce que personne ne savait comment utiliser le mode protégé. Pourtant, ce processeur offrait la mémoire virtuelle, des droits d’accès pour la sécurité, des niveaux de privilège d’exécution, etc. • Pendant ce temps, Motorola mettait en marché la famille 68000, qui offrait des registres de 32 bits et, à partir de 1985 avec le 68020, une capacité d ’adressage de 4 Go. 54

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique • En 1987, Intel met au point le 80386, puis le 80486, ensuite le Pentium, le Pentium II en 1997, le Pentium III en 1999 et finalement le Pentium 4 en 2001. Les ordinateurs que nous utilisons pour ce cours sont munis de Pentium III. 55

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique Sélecteur Index = index dans une table de descripteurs, possibilité de 8 K segments (13 bits). TI = indice de table : 0 = GDT, 1 = LDT RPL = niveau de privilège demandé 0 à 3 56

Unité 5a: Architecture du Pentium Historique Descripteur de segment Base = adresse de départ du segment Limit = taille du segment : 0 à 1 méga-unités G = granularité : unité = 1 octet si G = 0 ou 4 Ko si G = 1 3 1 1 6 1 5 b a s e - 1 5 l i m i t - 1 5 6 3 5 6 4 8 4 7 3 9 3 2 A D S l i m i t b a s e 2 4 - 3 1 G D O V P P = T y p e A b a s e 1 6 - 2 3 1 6 - 1 9 L L D r o i t s d ' a c c è s 57

Unité 5a: Architecture du Pentium Environnement Les ordinateurs de nos laboratoires fonctionnent tous sous Windows 2000. Ceci crée des difficultés pour la programmation en assembleur : Les accès aux interruptions logicielles et matérielles (accès au BIOS) ainsi qu’aux entrées/sorties sont interdits sauf si on exécute le programme à partie de la fenêtre DOS. Pour que les programmes fonctionnent normalement sous Windows 2000, il faut utiliser un assembleur 32 bits et effectuer des appels système pour accéder aux fonctions système et aux périphériques. 58

Unité 5a: Architecture du Pentium Exemple : En C void main() { short i, j, k; i = 4; j = 6; k = i + j + 5; } 59

Unité 5a: Architecture du Pentium Exemple : En assembleur .586 ; Pentium .model flat, stdcall ; mémoire 4 Go, appel de fonctions normal option casemap:none ; respecte la casse include \masm32\include\kernel32.inc ; librairie pour ExitProcess includelib \masm32\lib\kernel32.lib .data? ; variables globales non initialisées i dw ? ; word = 16 bits = short j dw ? k dw ? 60

Unité 5a: Architecture du Pentium Exemple : En assembleur .code start: ; début du programme principal mov ax, 4 mov i, ax ; i = 4 mov bx, 6 mov j, bx ; j = 6 add ax, bx add ax, 5 ; i + j + 5 mov k, ax ; résultat dans k invoke ExitProcess, 0 ; retourner à Windows end start ; fin du programme 61