Bibliographie & annexes
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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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.
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MOTS-CLÉS
jeu d'instructions interface matériel-logiciel RISC CISC types d'instruction format d'instruction
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Exemples de jeux d'instructions
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7. Instructions particulières dans les jeux d'instructions
Dans les différents jeux d'instructions, en fonction du type d'applications visé, on trouve des instructions particulières, tant dans les jeux d'instructions d'usage général que dans les jeux d'instructions spécifiques pour l'enfoui ou l'embarqué.
7.1 Support pour le calcul décimal
Les applications de gestion impliquent des opérations exactes sur des données décimales, ce qui ne peut être obtenu qu'avec des opérations décimales. Les jeux d'instructions peuvent fournir un support pour de telles opérations décimales « sans arrondi ».
Il subsiste dans IA-32 des instructions DAA et DAS datant du 8086 qui, après des instructions d'addition binaire (ou de soustraction) de deux registres 8 bits contenant chacun deux chiffres décimaux (en décimal codé binaire) ajustent le résultat de l'addition binaire pour qu'elle fournisse un résultat correct. L'idée sous-jacente est que l'addition binaire 4 bits + 4 bits donne un résultat modulo 16, et qu'en ajoutant 6 au résultat binaire s'il est supérieur à 9, on obtient la bonne valeur décimale avec une retenue.
Le jeu d'instructions Power d'IBM comprend des instructions de traduction de format décimal entier (décimal codé binaire) en format flottant décimal, plus un ensemble complet d'instructions flottantes décimales.
HAUT DE PAGE7.2 Support pour le produit scalaire
Le produit scalaire est une opération fondamentale sur des données flottantes en calcul scientifique d'une part, et sur des données entières en traitement du signal d'autre part. Une étape de produit scalaire S = S + Ai * Bi est typiquement une multiplication suivie d'une addition.
Compte tenu de l'importance accordée par IBM aux applications scientifiques, il n'est pas surprenant de trouver dans les jeux d'instructions Power et PowerPC, les instructions flottantes de multiplication-addition et multiplication-soustraction fusionnées, avec une variante négative, soit :
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Instructions particulières dans les jeux d'instructions
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
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(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...
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