Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
NOTE DE L'ÉDITEUR
L'article H1199 a été complété par les articles suivants :
- H1200, Extensions SIMD des jeux d'instructions, de Lionel Lacassagne
- H1201, RISC-V : un jeu d’instructions Open Source, de Daniel Etiemble
- H1202, Jeux d’instructions : extensions SIMD et extensions vectorielles, de Daniel Etiemble et Lionel Lacassagne.
Extensions SIMD des jeux d'instructions
RÉSUMÉ
Les jeux d’instructions comprennent l’ensemble des instructions machine qui permettent à un processeur d’exécuter un programme. Ils constituent l’interface entre le matériel et le logiciel: ils définissent les opérations que doit effectuer le matériel et ils sont la cible d’un compilateur. Cet article présente les caractéristiques générales des jeux d’instructions, à travers l’examen des points essentiels: instructions de longueur fixe ou variable, format des données et des instructions, modes d’adressage, manière d’implémenter au niveau des instructions les constructions essentielles des langages de haut niveau.
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Instruction sets (ISA) comprise the set of machine instructions that are used by a processor to run a program. They form the interface between hardware and software: they specify the different hardware operations, and are the target of a compiler. This article presents the main features of instruction sets, considering their main characteristics: fixed-length or variable length instructions, data formats, instruction formats, addressing modes, and techniques to translate the main structures of high level languages into machine instructions.
Auteur(s)
-
Daniel ETIEMBLE : Ingénieur INSA Lyon - Professeur émérite à l'université Paris Sud
INTRODUCTION
Les jeux d'instructions des processeurs constituent un langage statique minimum à l'interface entre le matériel et le logiciel : les instructions machine définissent les opérations que doit effectuer le matériel et elles sont la cible d'un compilateur. Ces jeux constituent une architecture apparente se distinguant des architectures matérielles qui exécutent les instructions. En effet, un programme, sous forme de langage machine après compilation pour un certain jeu d'instructions, doit pouvoir être exécuté par une gamme de machines utilisant ce jeu d'instructions, mais qui diffèrent en termes de vitesse d'exécution, consommation énergétique, taille, coût, etc. Les gammes IBM 360 et 370 dans le passé, les processeurs exécutant le jeu d'instructions x86, IA-32 et Intel 64 actuellement, sont des exemples illustrant la différence entre jeu d'instructions et architectures matérielles l'utilisant. Cependant, un jeu d'instructions évolue dans le temps en fonction des besoins des applications et des possibilités offertes par le matériel : passage des jeux d'instructions de 8 à 16 bits, puis 32 bits, puis 64 bits, ajouts de nouvelles instructions. Le problème est que la compatibilité binaire ascendante doit être maintenue pour les processeurs d'usage général : un processeur exécutant une version plus récente du jeu d'instructions doit être capable d'exécuter sans recompilation un code binaire d'une version ancienne.
Cet article ne détaille pas un jeu d'instructions particulier ; il présente les caractéristiques essentielles communes à tous les jeux d'instructions : longueur des instructions, format des données et des instructions et toutes les techniques qui permettent d'implanter au niveau du jeu d'instructions les constructions essentielles des langages de haut niveau que sont les affectations, les ruptures de séquence, les conditionnelles, les boucles, les appels et retours de procédure, etc. Il détaille plus particulièrement les caractéristiques des jeux d'instructions appelés RISC (instructions de longueur fixe) et du jeu d'instructions CISC dominant x86, IA-32, Intel 64 (instructions de longueur variable).
Pour les deux types de jeu d'instructions, sont détaillés les accès aux données (registres, accès mémoire et modes d'adressage), les instructions arithmétiques et logiques, les instructions de rupture de séquence, les instructions d'appel et retour de procédure, les instructions flottantes et quelques instructions particulières. Un résumé des caractéristiques des jeux IA-32, Intel 64 d'une part, et MIPS32 et MIPS64 d'autre part est présenté. Une annexe donne des indications sur les problèmes de codage des instructions.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
jeu d'instructions interface matériel-logiciel RISC CISC types d'instruction format d'instruction
KEYWORDS
instruction sets | hardawre-software interface | RISC | CISC | instruction types | instruction format
DOI (Digital Object Identifier)
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Remarques pour conclure
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8. Exemples de jeux d'instructions
La présentation détaillée d'un jeu d'instructions fait généralement l'objet de documents techniques de plusieurs centaines de pages. Nos exemples vont donc se limiter à présenter, pour deux jeux d'instructions représentatifs, la manière dont les différentes caractéristiques détaillées dans ce texte se combinent dans les différents formats d'instructions. Pour ces deux jeux d'instructions, nous présenterons brièvement les évolutions du jeu 32 bits au jeu 64 bits. Nous donnons en annexe quelques informations sur les problèmes du codage des instructions.
8.1 Jeux d'instructions Intel IA-32 et Intel 64
Le jeu d'instructions IA-32 est la version 32 bits résultant de l'évolution de la version x86 16 bits du 8086. Le modèle est (2,1) avec des instructions de longueur variable. Ce choix s'explique notamment par la situation de la technologie des circuits intégrés à l'époque de sa définition, conduisant à limiter le nombre de registres du processeur et la taille du code compte tenu de la mémoire adressable. Intel 64 est l'extension à 64 bits d'IA-32 .
La version 32 bits comporte 8 registres EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESP, EDI et ESI. La version 64 bits Intel 64 ajoute 8 registres 64 bits (R8 à R15) aux 8 registres RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSP, RDI et RSI, version 64 bits des registres 32 bits. Paradoxalement, la taille par défaut des opérandes dans ces registres est 32 bits. C'est un champ « préfixe » de l'instruction qui indique la taille de l'opérande (32/64) et référence les registres supplémentaires R8 à R15 . Les registres 64 bits peuvent également contenir des données 16 ou 8 bits. Les opérations sur des opérandes 32 bits délivrent un résultat sur...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AMDAHL (G.M.), BLAAUW (G.A.), BROOKS (F.P.) Jr - Architecture of the IBM system/360. - IBM J. Research and Development, 8(2), p. 87-101, avr. 1964.
-
(2) - Intel® 64 and IA-32 architectures software developer manuals. - http://www.intel.fr/content/www/fr/fr/processors/architectures- software-developer-manuals.html
-
(3) - 80286 and 80287 programmer's reference manual. - http://bitsavers.informatik.uni-stuttgart.de/ pdf/intel/80286/210498-005_ 80286_and_80287_Programmers_Reference_Manual_1987.pdf
-
(4) - PATTERSON (D.A.) - Reduced instruction set computers. - Communications of the ACM – Special section on computer architecture, vol. 28, n° 1, p. 8-21, janv. 1985.
-
(5) - HENNESSY (J.L.), PATTERSON (D.A.) - Architecture des ordinateurs, une approche quantitative. - Vuibert Informatique (2003).
-
(6) - VAX...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Hiérarchie mémoire : la mémoire virtuelle.
-
Processeurs : exécution pipeline des instructions.
-
Processeurs VLIW.
-
Les extensions SIMD des jeux d'instructions.
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