7: De Hypothetische x86

Question 1

Welke elementen heeft de processor x86?

Answer 1

• registers
• ALU (arithmetic & logic unit)
• BIU (bus interface unit)
• Control unit met instructieset

Question 2

Wat zijn registers?

Answer 2

Speciale geheugenplaatsen in de processor.

Ze maken geen deel uit van het hoofdgeheugen.

Alle bewerkingen gebeuren in de registers van een processor.

Question 3

Welke registers heeft de x86?

Answer 3

De x86 heeft 4 registers van 16 bits.

• AX: accumulator register
• BX: base address register
• CX: count register
• DX: data register

Question 4

Welke interne registers zijn er ook nog?

Answer 4

• De instruction pointer
• Een vlaggenregister

Deze interne registers zijn voor de programmeur niet rechtstreeks toegankelijk.

Question 5

Vlaggenregister?

Answer 5

Deze interne register houdt het resultaat van een compare opdracht bij.

Daarin vinden we terug of een waarde groter, kleiner of gelijk aan een andere waarde is.

Question 6

Wat is het voordeel van registers in de CPU?

Answer 6

Hierdoor werken ze sneller dan het geheugen.

Het bereiken van een geheugenadres zal een aantal klokcycli vragen. Gegevens in registers zullen meestal direct bereikbaar zijn.

Question 7

Wat is het nadeel van registers in de CPU?

Answer 7

Het aantal registers is meestal zeer beperkt.

De meeste registers hebben een special purpose waardoor ze beperkt zijn in hun mogelijkheden om gegevens bij te houden.

Question 8

Wat gebeurt er in de ALU?

Answer 8

In de Arithmetic en Logic Unit worden de rekenkundige en logische bewerkingen uitgevoerd.

Question 9

Welke stappen zijn er nodig in de ALU wanneer je de waarde 6 wil optellen bij de inhoud van het AX-register?

Answer 9

1. kopieer de waarde van AX naar de ALU
2. stuur de waarde 6 naar de ALU
3. geef de opdracht aan de ALU om een optelling uit te voeren
4. breng het resultaat terug naar het AX-register

Question 10

Waarvoor is BIU verantwoordelijk?

Answer 10

De Bus Interface Unit (BIU) is verantwoordelijk voor het besturen van de adres- en databus bij het lezen van of het schrijven naar het geheugen.

Als de processor gebruik maakt van cachegeheugen is deze unit daar ook verantwoordelijk voor.

Question 11

Hoe is de instructieset van een CPU gemaakt?

Answer 11

Op basis van logische poorten.

Question 12

Waarom is de instructieset eerder beperkt in omvang?

Answer 12

Om het aantal logische poorten zo klein mogelijk (toch al heel snel enkele honderduizenden) te houden.

Question 13

Wat doet de Control Unit?

Answer 13

De CU voert de stappen van de instructiecyclus (fetch en execute) uit.

Question 14

Welk speciaal register heeft de control unit?

Answer 14

De instructiepointer.

Question 15

Wat doet de instructiepointer?

Answer 15

In de instructiepointer staat het adres van een uitvoerbare instructie.

Op basis van dat adres gaat de control unit een instructie uit het geheugen halen en naar het decodeerregister brengen voor de uitvoering ervan.

Na het uitvoeren van de instructie wordt de instructiepointer aangepast zodat hij naar de volgende instructie wijst.

Deze interne register wijst naar de volgende uit te voeren instructie.

Question 16

Waarmee wordt er rekening gehouden bij het ontwerp van een instructieset?

Answer 16

Dat de opcodes een veelvoud van 8 bits breed zijn.

Daardoor kunnen de instructies op een eenvoudige manier uit het geheugen gehaald worden.

Question 17

Hoe worden de bits van een opcode verdeeld?

Answer 17

De bedoeling is de beschikbare bits op een goede manier te verdelen tussen het veld voor de instructieklasse (move, add,…) en de velden die de operanden aanduiden (geheugenlocaties en registers).

Meer bits voor het instructieveld (meer instructies) betekent minder bits voor het operandenveld, en vice versa.

Er moet ook rekening gehouden worden met instructies die maar één operand of zelfs geen operanden gebruiken.

Question 18

Over welke instructies beschikt de instructieset van x86-processoren?

Answer 18

De x86-processoren zijn voorzien van een instructieset met 20 basisklassen.

7 van die instructies hebben twee operanden, acht instructies hebben één operand en vijf instructies werken zonder operanden.

De instructies zijn MOV (2 soorten), ADD, SUB, CMP, AND, OR, NOT, JE, JNE, JB, JBE, JA, JAE, JMP, BRK, IRET, HALT, GET en PUT.

Question 19

MOV-instructie?

Answer 19

De MOV is in feite een naam voor twee klassen die samensmelten tot één instructie.

1. MOV reg, reg/mem/const
2. MOV mem, reg

Daarbij staat ‘reg’ voor register (AX, BX, CX, DX), ‘const’ voor een numerieke constante waarde (in hexadecimale voorstelling) en ‘mem’ voor een adres in het geheugengebied.

Question 20

Welke rekenkundige en logische bewerkingen heeft de instructieset van een x86-processor?

Answer 20

1. ADD reg, reg/mem/const
2. SUB reg, reg/mem/const
3. CMP reg, reg/mem/const
4. AND reg, reg/mem/const
5. OR reg, reg/mem/const
6. NOT reg, reg/mem/const

Question 21

ADD instructie?

Answer 21

Door de ADD wordt de waarde van de tweede operand bij de eerste operand geteld.

Het resultaat komt in de eerste operand terecht.

Question 22

SUB-instructie?

Answer 22

De SUB laat het verschil van de eerste operand en de tweede operand in de eerste operand achter.

Question 23

CMP-instructie?

Answer 23

De CMP vergelijkt de eerste en tweede operand en zal het resultaat in een afzonderlijk register opslaan zodat de voorwaardelijke sprongopdrachten er gebruik van kunnen maken.

Question 24

AND- & OR-instructie?

Answer 24

De AND en de OR berekenen de logische waarde (bitgewijs) van de twee operanden en slaan het resultaat op in de eerste operand.

Question 25

NOT-instructie?

Answer 25

De NOT inverteert de bits van een geheugenadres of een register.

Question 26

CONTROL TRANSFER-instructies?

Answer 26

Deze instructies verbreken de sequentiële verwerking van instructies en geven controle aan instructies die zich op andere plaatsen in het geheugen bevinden.

Dit kan al of niet voorwaardelijk gebeuren, bij voorwaardelijke instructies wordt gebruik gemaakt van het resultaat van een CMP-instructie.

Question 27

Welke CONTROL TRANSFER-instructies zijn er?

Answer 27

• JA dest
  
  • jump if above
• JAE dest
  
  • jump if above or equal
• JB dest
  
  • jump if below
• JBE dest
  
  • jump if below or equal
• JE dest
  
  • jump if equal
• JNE dest
  
  • jump if not equal
• JMP dest
  
  • jump unconditional
• IRET
  
  • return from an interrupt

Question 28

Welke I/O-instructies zijn er?

Answer 28

• GET-instructie
• PUT-instructie

Question 29

GET-instructie?

Answer 29

Met de GET-opdracht worden gehele waarden gelezen van het toestenbord in hexadecimale voorstelling en in het AX-register geplaatst.

Question 30

PUT-instructie?

Answer 30

De PUT plaatst de inhoud van het ax-register op het scherm (uitvoer).

Question 31

Welke instructies hebben geen operanden?

Answer 31

Dit zijn de opdrachten HLT en BRK.

Question 32

HTL-instructie?

Answer 32

De HLT-instructie zet de uitvoering van het programma stop.

Question 33

BRK-instructie?

Answer 33

De BRK laat de processor wachten op een tussenkomst van de gebruiker om opnieuw te starten.

Dit kan gebruikt worden voor het inlassen van een pause om het verloop van de code te bestuderen.

Question 34

Welke soorten operanden kunnen er in de instructies van de x86 voorkomen?

Answer 34

Er zijn 5 verschillende soorten operanden.

Dit zijn registers, constanten en 3 soorten geheugenverwijzingen.

Question 35

Welk doel hebben de verschillende operanden?

Answer 35

Elk van de 5 vormen is een adresseringswijze.

Question 36

Welke adresseringen zijn er?

Answer 36

• register adressering
• immediate adressering
• indirect adressering
• indexed adressering
• direct adressering

Question 37

Register adressering?

Answer 37

MOV ax, cx

Kopieer cx naar ax.

De eerste operand bevat het resultaat.

Question 38

Immediate adressering?

Answer 38

MOV ax, 25

De hexadecimale waarden worden in de registers gezet.

Question 39

Direct adresseren?

Answer 39

MOV ax, [1000]

De waarde (16 bits) die vanaf adres 1000 in het geheugen staat, wordt in het ax register gezet.

Question 40

Indirect adresseren?

Answer 40

MOV ax, [bx]

De waarde van het geheugenadres dat in het bx register staat wordt het adres van waaruit de inhoud naar het ax register zal gekopieerd worden.

Merk op dat volgende opdrachtenreeksen hetzelfde resultaat hebben:

MOV bx, 1000 MOV ax, [bx]

MOV ax, [1000]

Question 41

Indexed adresseren?

Answer 41

MOV ax, [1000 + bx]

De waarde van bx wordt opgeteld bij een vaste waarde om het te fetchen adres in het geheugen te vormen.

Dit is bijvoorbeeld handig bij het verwerken van reeksen en records.

Question 42

Welke codering wordt er in het algemeen gebruikt voor opcodes?

Answer 42

Er wordt gebruik gemaakt van een gegeven aantal bits in de opcode om de instructieklasse aan te duiden (mov, add, sub) en een aantal bits om de gebruikte operanden aan te duiden.

Question 43

Welke coderingsschema gebruikt de Intel 80x86-familie?

Answer 43

De Intel 80x86-familie gebruikt een CISC coderingschema’s voor opcodes.

Question 44

Hoe ziet een typische instructie van het CISC coderingsschema eruit?

Answer 44

Een typische instructie van de x86 ziet eruit als de figuur.

De opcode bestaat uit een byte die verdeeld is in drie velden.

Om de opcode van een instructie te bepalen, moet je de juiste bits bij iii, rr en mmm invullen.

Question 45

MOV ax, bx?

Answer 45

iii = 110

rr = 00

mmm = 001

=> 1100 0001

Question 46

MOV ax, [1000]

Answer 46

iii = 110

rr = 00

mmm = 110

=> 1100 0110

Om te kunnen werken met [xxxx] en [bx + xxxx] of een constante moet er na de instructie een 16 bits adres of constante geplaatst worden.

De laagste orde byte komt onmiddellijk na de opcode van de instructie, gevold door de hoogste orde byte.

MOV ax, [1000] -> C6 00 10

MOV ax, [2000] -> C6 00 20

Question 47

Welke functie heeft de speciale opcode?

Answer 47

Het eerste veld bepaalt de klasse van de instructie. Door de 3 bits hebben we 8 combinaties. Er zijn 20 klassen, dus kunnen we ze niet allemaal voorstellen. Om dat toch te kunnen, zullen we gebruik maken van special.

Door de speciale opcode te gebruiken, kunnen we nu nog een extra aantal instructies toevoegen. Dit zijn instructies die gebruik maken van één operand of geen operanden nodig hebben.

Er zijn vier klassen van instructies met één operand. De eerste (00) wordt gebruikt om de instructies die geen operanden nodig hebben aan te geven. De tweede (01) wordt gebruikt om de verschillende spronginstructies te coderen. De derde (10) is de code voor de not instructie (bitgewijs inverteren) op de registers of de geheugenadressen. De vierde (11) is gereserveerd voor latere uitbreiding.

Question 48

Hoe worden de 7 sprongopdrachten bij de x86 gecodeerd?

Answer 48

Ze worden als volgt voorgesteld:

Jxx adres

Question 49

Wat zijn de opcodes voor de instructies die geen operanden nodig hebben?

Answer 49

Question 50

Welke opdrachten zal de Control Unit van de CPU uitvoeren bij de instructie MOV MEM, REG

Answer 50

1. fetch de instructie uit het geheugen
2. pas de instructiepointer aan
3. decodeer de instructie
4. indien nodig, fetch de operand uit het geheugen
5. indien nodig, pas de instructiepoint aan
6. bereken het adres van de operand
7. neem de waarde uit het register
8. bewaar de waarde op zijn bestemmingsadres

Question 51

Welke opdrachten zal de Control Unit van de CPU uitvoeren bij de instructie MOV REG, REG/MEM/CONST?

Answer 51

1. fetch de instructie uit het geheugen
2. pas de instructiepointer aan
3. decodeer de instructie
4. fetch indien nodig de 16 bits operand voor de instructie
5. pas indien nodig de instructiepointer aan
6. bereken indien nodig het adres van de operand (xxx+bx)
7. fetch de operand
8. sla de waarde op in het doelregister

Question 52

Welke opdrachten zal de Control Unit van de CPU uitvoeren bij de instructie ADD, SUB, CMP, AND, OR?

Answer 52

1. fetch de instructie uit het geheugen
2. pas de instructiepointer aan
3. decodeer de instructie
4. indien nodig, fetch een operand
5. indien nodig, pas de instructiepointer aan
6. bereken het adres van de operand
7. haal de waarde van de operand en stuur naar ALU
8. fetch de waarde van de eerste operand (register) en stuur naar ALU
9. geef de opdracht aan ALU (add, sub, cmp, and of or)
10. bewaar het resultaat in de eerste operand (register)

Question 53

Welke opdrachten zal de Control Unit van de CPU uitvoeren bij de instructie NOT?

Answer 53

1. fetch de instructie uit het geheugen
2. pas de instructiepointer aan
3. decodeer de instructie
4. indien nodig, fetch een operand
5. indien nodig, pas de instructiepointer aan
6. bereken het adres van de operand
7. haal de waarde van de operand en stuur naar LAU
8. geef de not opdracht aan de ALU
9. bewaar het resultaat in de operand

Question 54

Welke opdrachten zal de Control Unit van de CPU uitvoeren bij de instructie JXX?

Answer 54

1. fetch de instructie uit het geheugen
2. pas de instructiepointer aan
3. decodeer de instructie
4. fetch het doeladres uit het geheugen
5. pas de instructiepointer aan
6. test de kleiner dan of gelijk aan vlaggen
7. als de vlaggen aan de gegeven conditie voldoen, kopieert de CPU de constante naar het IP-register

Question 55

Wat zijn enkele opmerkingen bij de uitvoeringstijden bij de x86?

Answer 55

• Langere instructies meer tijd vragen bij de uitvoering;
• instructies zonder verwijzing naar het geheugen meestal sneller werken;
• instructies met ingewikkelde adresseringswijze langer duren.

Question 56

Welke instructies worden het snelst uitgevoerd?

Answer 56

Instructies die registers gebruiken, zijn korter, gebruiken geen geheugen en geen complexe adresseringswijze. Daarom zullen ze altijd het snelst zijn.

Question 57

IRET-instructie?

Answer 57

De IRET geeft de controle terug na het uitvoeren van een interrupt service routine.

Question 58

Wat zijn de verschillende uitvoeringstijden (in klokcycli) van de verschillende instructies?

Answer 58