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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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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Composantes d'une instruction machine
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1. Rôle des jeux d'instructions
Les jeux d'instructions des processeurs comprennent l'ensemble des instructions machine qui vont permettre au processeur d'exécuter un programme. Ils jouent donc un double rôle d'interface :
-
les instructions machine constituent un langage minimum statique définissant les opérations que doit effectuer le matériel ;
-
les instructions machine sont la cible d'un compilateur, c'est-à-dire constituent l'interface entre les langages de programmation de haut niveau et le langage machine.
En même temps, l'architecture apparente vue par le compilateur doit être capable d'évoluer dans le temps tout en respectant des contraintes pour pouvoir être exécutée par différentes architectures matérielles.
1.1 Architecture apparente et architectures matérielles
Un ordinateur donné est constitué d'une certaine architecture matérielle, avec ses composantes de traitement (processeur), de mémorisation (hiérarchie mémoire) et de communication avec le monde extérieur (entrées-sorties). Chaque partie a sa propre spécification. Le processeur est implanté sous forme d'un certain microprocesseur ou ensemble de cœurs, travaillant sur des mots d'un certain nombre de bits, avec un certain nombre d'opérateurs arithmétiques et logiques, avec un certain nombre de niveaux de cache d'une certaine taille, etc. Il exécute des programmes, constitués de suites d'instructions qui correspondent au langage machine spécifique à ce processeur : il a été conçu et réalisé pour les exécuter ! À ce niveau apparaît déjà la distinction entre le matériel (l'ordinateur) et le logiciel (le programme). Par définition, un ordinateur est capable d'exécuter plusieurs programmes. Mais réciproquement, un programme, sous forme de langage machine tel qu'il est obtenu après compilation, doit pouvoir être exécuté par des architectures matérielles différentes, c'est-à-dire par des ordinateurs capables d'exécuter les mêmes instructions machine, mais dont l'organisation matérielle est différente, qui peuvent être plus ou moins performants en termes de vitesse d'exécution, de consommation énergétique, de taille et de coût. Les logiciels compilés pour un certain langage machine peuvent donc s'exécuter sur des gammes de machines différentes.
Cette distinction est apparue très tôt dans l'histoire des ordinateurs. La série (ou gamme) IBM 360 ...
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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.
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(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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