TD/TP2 (semestre1, période 2) : Fonctionnement de l ordinateur, langage assembleur

IUT Orléans, Département Informatique 2007-2008 ASR : Architectures des Ordinateurs UF2 : Fonctionnement de l ordinateur TD/TP2 (semestre1, période 2) : Fonctionnement de l ordinateur, langage assembleur Chapitre 5 (partie1) : Un simulateur simple pour le langage «assembleur (NASM)» Durant ce TD/TP, on réalise sur une initiation à la programmation en assembleur (voir modèles NASM ou AS). Mais, pour mieux comprendre le fonctionnement de l ordinateur, on utilise ici un simulateur (voir le site http://www.softwareforeducation.com/sms32v50/, SMS32V50). La machine prise en compte par le simulateur n est pas la machine réelle sur laquelle on travaille. C est une machine «8 bits» du type Intel8086. L assembleur proposé «ASSEMBLE» à une syntaxe simplifiée, mais très proche d un sous-ensemble de l assembleur NASM (ou AS) permettant de programmer sur la machine réelle. Seules, un petit nombre d instructions ont une syntaxe légèrement différente : MUL, DIV, décalages, etc. NASM et la machine réelle seront utilisés dans les TD/ TP ASR de la partie système (sous Linux). L assembleur «simplifié» ne propose pas l utilisation de noms symboliques pour les variables : on indique directement des adresses dans la mémoire RAM. Par contre, on dispose d étiquettes symboliques pour les ruptures de séquence. Pour des raisons (évidentes) de simplification, le langage machine binaire généré lors de l assemblage du texte en «NASM simplifié» ne correspond PAS au langage machine de la série IntelX86. La plupart des instructions sont ici codées, de manière très simple, sur 3 octets. L environnement est l environnement Win(XP). On dispose d une représentation simplifiée du clavier» et de «l écran» à travers un «environnement système élémentaire». v 1. Prise en main du simulateur, assemblage du texte d un programme écrit en «NASM simplifié», implantation d un programme en mémoire [Exercices série 1] Architecture de l ordinateur, la carte machine a) Rappeler le schéma («carte machine») de la machine utilisée par le simulateur. On situera notamment les registres utilisateurs ( AL, BL, CL et DL), les registres cachés et la mémoire RAM de 256 octets. Rappeler le rôle des registres de travail et de la mémoire RAM. Comment peut-on visualiser l information en binaire? Le fonctionnement du simulateur b) Quels sont les rôles respectifs des commandes «assemble», «run» et «step» du simulateur? Que peut-on suivre avec les options «write run log» et «run log»? Un modèle de texte de programme pour l implantation en mémoire du code binaire par «ASSEMBLE» c) Proposer un premier texte de programme (- modele01.asm -) contrôlant l emplacement occupé, dans la zone RAM attribuée à un utilisateur, par : - les données initialisées ( des étiquettes datastart à dataend ) et la directive DB; - le code du programme ( de textstart à textend ) et les mnémoniques JMP, HALT, MOV, etc. ; 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 19

- éventuellement, la zone pour des données NON initialisées ( de bssstart à bssend ). Cette zone peut se partager le reste de la mémoire RAM attribuée à l utilisateur avec la PILE d exécution. Commenter l utilisation de la directive ORG (- qui n est pas une instruction mais une directive à «ASSEMBLE» -) Commenter le fait que cet assembleur «simplifié» ASSEMBLE ne propose pas l utilisation de noms symboliques pour les variables : on indiquera directement des adresses dans la mémoire RAM. Par contre, on dispose d étiquettes symboliques pour les ruptures de séquence. Leur transformation est prise en charge par ASSEMBLE. Rappel : L ensemble de la mémoire comporte ici 256 octets de 00 à FF. La mémoire utilisateur s étend de 00 à BF. Le système utilise la zone C0 à FF pour simuler la «zone vidéo». Il utilise également la zone 0 à xx pour la table des vecteurs d interruptions. La PILE d exécution n est pas utilisée dans ce TD/TP, elle débute en BF (- voir TD/TP partie Système de ASR -) Relever le schéma d occupation de la RAM. Expliquer précisément le rôle et le fonctionnement de «jmp». Le fonctionnement du simulateur, de l assembleur ASSEMBLE et du processeur SMS Classer et expliciter : Les directives pour le simulateur «assemble», «run» et «step», «clo»etc. ; Les directives pour l assembleur ASSEMBLE (- DB, ORG -) ; Les directives (- instructions en binaire après ASSEMBLE -) pour le processeur. 2. Registres, transferts d information entre registres et mémoire [Exercices série 2] Permutation de cases mémoires a) Écrire un premier programme en langage machine ( mov01.asm ) qui réalise l échange du contenu de cases de la mémoire RAM. Ces cases contiennent : - Deux valeurs entières (représentées en complément à 2 sur 8 bits) : ces valeurs sont données en hexadécimal et non en décimal ou en binaire. Elles sont définies ici comme des données initialisées (zone data ) et non saisies au «clavier». - Deux caractères ASCII : ils sont également fournis comme des données initialisées. Rappel : il est nécessaire ici de passer par des registres. Vérifier, en consultant la visualisation de la RAM, le résultat de la permutation. Les choix retenus (- hexadécimal ou ASCII -) sont en rapport avec la directive «DB» disponible. Utilisation de la zone vidéo pour la visualisation (de valeurs codées en ASCII ) b) Compléter le programme ( mov02.asm ) en transférant, avant et après la permutation, les deux caractères ASCII dans la «zone vidéo». On les place en position D0 et E0 avant la permutation ; en position D2 et E2 après. En C1, on placera le message «:». Rappeler ( et tester ) comment sont codés, en binaire et en hexadécimal, les caractères ASCII : {0,, 9], {A,, Z}et {+, -, /, *, % }. Remarque : Que faudrait-il faire pour visualiser, en zone vidéo, les deux «valeurs entières» codant les caractères au lieu des deux caractères ASCII? Ne pas écrire ce programme pour l instant, voir plus loin dans les applications. 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 20

Saisie au clavier par «in» (- lecture de valeurs codées en ASCII sur un octet -) c) Introduire ( mov03.asm ) la lecture au clavier d une nouvelle valeur pour les 2 caractères ASCII. Réaliser la séquence : lecture, visualisation, permutation et visualisation. Comment pourrait-on utiliser la zone «bss» des données non initialisées? Remarque : Le simulateur n offre pas d instruction mov Reg1, Reg2. On verra plus loin comment permuter le contenu de ces deux registres sans utiliser une case mémoire (voir plus loin les instruction XOR et OR). Ensemble des cinq possibilités de l instruction de déplacement (- lecture/écriture en RAM -) d) Proposer maintenant un programme ( mov04.asm) montrant l ensemble des possibilités des instructions «mov». Ne pas oublier les déplacements indirects, ils seront nécessaires par la suite. Ensemble des (autres) périphériques disponibles dans le simulateur e) Tester et commenter le programme de démonstration demo01.asm. 3. Instructions arithmétiques [Exercices série 3] Addition de deux entiers [arit03.asm ] a) Écrire un programme ( arit01.asm et arit02.asm ) réalisant l addition de deux entiers courts (8bits). Les entiers sont : - Définis en valeurs immédiates ; - Définis par des données initialisées et placés dans des cases mémoires ; Rappel : les entiers sont codés en complément à 2 et ces valeurs sont données en hexadécimal. Possibilités des opérations arithmétiques b) Proposer un programme ( arit03.asm ) montrant et regroupant les différentes possibilités des opérations arithmétiques. Multiplications et divisions, introduction des décalages c) Comment sont représentés les nombres entiers négatifs. [Montrer dans quel cas une multiplication ou un division par 16 correspondent à des décalages de 4 positions binaires (arit04.asm).] 4. Opérations logiques et opérations de décalage [Exercices série 4] Opérations logiques [logi01 à logi04] a) Donner un programme (logi01.asm ) montrant les différentes possibilités de AND, OR, XOR et NOT. b) Utiliser XOR et OR pour transférer le contenu d un registre dans un autre ( logi02.asm ) c) Utiliser aussi l instruction AND pour transcoder un caractère hexadécimal, lu en ASCII, vers sa valeur binaire ( logi03.asm). On distingue : - Valeurs souhaitées de 0 à 9 codées en binaire sur 4 positions et codes ASCII introduits par les touches du clavier de «0» à «9» 8 ; 8 Exemple ASCII [ [1] CLAVIER ] = 0011 0001, [0011 0001] 2 = [3 1] 16 et 2 [ [1] CLAVIER ]? 0001 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 21

- Valeur souhaitées de 10 à 15 codées en binaire sur 4 positions et codes ASCII introduits par les touches du clavier de «A» à «F». Remarque : On n effectue pas, pour l instant, de contrôle sur les valeurs lues. Ces contrôles seront introduit plus tard sur une version logi03c.asm (Voir également plus loin, l exercice complet e_shexa.asm). Il est important ici d analyser ce transcodage et sa nécessité. On pourra éventuellement placer les 4 positions binaires obtenues après transcodage en partie basse ou en partie haute d un même octet (- voir : décalages -). On pourra également, en sens inverse, réécrire à l écran les codes hexadécimaux correspondant à une valeur binaire sur 8 positions.. Opérations de décalage d) Charger une valeur immédiate dans BL et visualiser ( sur l écran de la «zone vidéo» ) le bit de poids fort ( logi04.asm ). Remarque : L exercice sera repris plus loin pour visualiser successivement toutes les positions binaires (- logi04c.asm -). Voir également plus loin e_sbin.asm. Eventuellement, lire un caractère 0/1 en ASCII, le transcoder en valeur binaire sur 8 bits (- exercice précédent -) et visualiser à l écran le bit de poids faible. 5. Introduction des instructions de ruptures de séquences [exercices série 5] Sélection et répétition en assembleur (utilisation des étiquettes, instructions cmp, jmp et jcond) [Commentaires et modèles simples] a) A l aide des instructions de base jmp, cmp et jcond présentées en cours, définir «l équivalent» des l instructions: «if (cond) { } else { }» ; «do { }while(cond) ;» ;«while(cond) { }» et «switch» Exemple simple avec une sélection [Exercice sisinon01.asm] b) Écrire des programmes ( sisinon01.asm ) qui, disposant de deux entiers (données initialisées en constantes), affiche - l un des trois messages : 1 > 2, 2 >1 ou 1=2 ( le 1 est supérieur au 2, etc.). Exemple simple avec un aiguillage [Modification exercice précédent ] c) Reprendre éventuellement le programme précédent avec une structure d aiguillage. Itération et écriture d une chaîne ASCII [Exercice e_sascii.asm] d) Proposer un programme ( e_sascii.asm ) qui écrit une chaîne ASCII sur l écran vidéo. La chaîne est d abord définie comme un message (donnée initialisée), puis elle est lue au clavier et réécrite. Exemple avec un aiguillage et une visualisation simple d une position décimale [Exercice arith05.asm ] e) Proposer un programme ( arit05.asm ) qui, disposant déjà de deux nombre entiers ( données initialisées en constantes et inférieures à 10), lit un opérateur (opérateur choisi parmi : + - * / % ). L opérateur est introduit au clavier. Le programme affiche le résultat de l opération demandée en réalisant un aiguillage à partir de l opérateur. Le résultat à tester sera ici inférieur à 10 - donc à visualiser sur une seule position décimale -, mais on tiendra compte d un résultat éventuellement négatif 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 22

Exemple avec des structures itératives [e_sbin.asm] f) Un programme lit successivement, puis réécrire les 8 positions binaires [réalisant une itération de 8 pas]. La lecture a lieu sur le clavier (donc, en ASCII caractère par caractère). L écriture des 8 positions binaires est faite sur l écran vidéo. Exemple- facultatif - avec des structures itératives [Exercices Logi03C.asm, logi04d.asm] g) A partir de l exercice logi03.asm de 4c) proposer une version plus complète logi03c.asm : on ajoute une structure de contrôle de type aiguillage permettant de vérifier que l on a bien introduit pour fournir une valeur binaire - un caractère hexadécimal [ On utilise également une sélection si ]. Réécrire cette valeur en hexadécimal en passant par la zone vidéo [On utilise un aiguillage ou une sélection si_sinon ]. Reprendre le programme logi04.asm de 4d) sous le nom, logi04d.asm - : on donne une valeur binaire en hexadécimal (- saisie et contrôle de 2 caractères hexadécimaux à partir de l exercice précédent logi03c.asm -) dont on visualise successivement les 8 positions binaires dans la zone vidéo. [ Aiguillage, puis itération pour la visualisation des 8 bits.] [Voir directement plus loin l application e_shex.asm où l on saisit et on réécrit deux caractères hexadécimaux pour disposer d un valeur sur 8 bits?] 6. Applications des notions précédentes Application1, lecture et ré-écriture d un nombre décimal [Exercice e_snombre.asm ] Proposer un programme ( e_snombre.asm ) qui lit un nombre décimal compris entre -127 et +127 (- donc, sur le terminal, caractère ASCII par caractère, signe compris -). Ce programme construit la valeur décimale correspondante (- donc, codée en binaire complément à 2 -) et la range en mémoire. Puis, il réécrit cette valeur à l écran (- donc, caractères ASCII par caractère ASCII -). Application2, réaliser une opération entre 2 entiers [Exercice : e_snombres.asm d après sisinon01.asm et e_snombre.asm] Proposer un programme ( e_snombres.asm ) qui, disposant de deux nombres entiers (données initialisées) et d un opérateur saisi au clavier (opérateur choisi parmi : + - * / % ), réalise l opération demandée et affiche le résultat. Seul l un des deux nombres est saisi au clavier (problème de taille du programme) Application3, lecture/écriture et traitement de chaînes héxadécimales [Exercice e_shex.asm d après logi3c.asm] Proposer un programme ( e_shex.asm ) qui obtient la valeur d un entier naturel (- compris entre 0 et 255 -) codée en binaire. Il lit cette donnée sous la forme de deux caractères hexadécimaux introduits au clavier (donc, sous forme de caractères ASCII ). Le programme reconstruit donc la valeur binaire, sur 8 bits, à partir de ces deux caractères hexadécimaux (récupérés successivement au clavier donc en en ASCII ). Ensuite, le programme ré-écrire la valeur binaire en hexadécimal sur «l écran vidéo» (donc, de nouveau, sous la forme de deux caractères en ASCII codant les deux caractères hexadécimaux). 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 23

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IUT D Orléans, Département Informatique 2007-2008 ASR : Architectures des Ordinateurs UF2 : Fonctionnement de l ordinateur Eléments de réponse : corrections autour du fonctionnement de l ordinateur 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 25

Annexes autour de l utilisation du simulateur : Le simulateur 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 26

Exemples (partiels) de programmes Modele01.asm ; Exercice: modele01_2005.asm monprog: ; nom (externe) du programme: momprog, point de lancement imposé en 00 jmp textstart ; renvoi vers le début effectif du programme ; lancement systématiquement dans la case 0 ; par le "système" ; d'ou, un ensemble de renvois ; Zone pour la TABLE des INTERRUPTIONS, NON PRISE EN COMPTE ICI... ; TABLE ; ; ; directement vers début effectif du CODE textstart en évitant les données ; DATA datastart: ; zone DONNEES INITIALISEES ; exemple: db 30 ; octet1 en 02 (hex.), valeur 30 (hex.) db 31 ; octet2 en 03 (hex.), valeur 31 (hex.) db "ABC...abc" ; chaîne en ASCII (début en 04) db 0 ; marque fin de chaîne si nécessaire dataend: ; fin DONNEES ; CODE ORG 10 ; à tester, début du code en 10 textstart: ;début du CODE mov dl, 02 ;si nécessaire: début données... push dl ; pour voir la PILE halt textend: ; fin du CODE ; BSS bssstart: ; zone DONNEES NON INITIALISEES ; exemple: ORG 20 ; db "ICI" bssend: ;fin DONNEES NON INITIALISEES ; end ; Exercice: mov01.asm monprog: jmp textstart ; nom du programme ; DATA datastart: ; zone DONNEES INITIALISEES(début en 02) ; exemple: db 00 ; octet1 en 02 (hex.), valeur 00 (hex.) db 01 ; octet2 en 03 (hex.), valeur 01 (hex.) db "0" ; octet3 en 04 (hex.), valeur ASCII db "1" dataend: ; fin DONNEES ORG 10 ; CODE textstart: ;début du CODE ; séquence permutation: mov AL, [02] mov BL, [03] mov [02], BL mov [03], AL 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 27

mov AL, [04] mov BL, [05] mov [04], BL mov [05], AL halt textend: ; fin du CODE ; BSS bssstart: ; zone DONNEES NON INITIALISEES bssend: ;fin DONNEES NON INITIALISEES ; end mov02.asm ; Exercice: mov02.asm monprog: jmp textstart ; nom du programme ; DATA datastart: ; zone DONNEES INITIALISEES ; exemple: db "0" ; octet1 en 02 (hex.), car. ASCII db "1" ; octet2 en 03 (hex.), car. ASCII db ":" ; chaîne en ASCII (début en 04) db 0 ; marque fin de chaîne si nécessaire dataend: ; fin DONNEES ORG 10 ; CODE textstart: ;début du CODE ; séquence 1 de visualisation (ASCII): mov AL, [02] ; caractère ASCII dans [02] mov [D0], AL ; placé en zone vidéo, position D0 mov AL, [03] ; caractère ASCII dans [03] mov [E0], AL ; placé en zone vidéo, position E0 mov AL, [02] mov BL, [03] mov [02], BL mov [03], AL ; séquence permutation: ; séquence 2 de visualisation (ASCII): mov AL, [04] ; message (ASCII) dans [04], soit : mov [C1], AL ; placé en zone vidéo, position C0 mov AL, [02] ; caractère ASCII dans [02] mov [D2], AL ; placé en zone vidéo, position D0 mov AL, [03] ; caractère ASCII dans [03] mov [E2], AL ; placé en zone vidéo, position E0 halt textend: ; fin du CODE ; BSS bssstart: ; zone DONNEES NON INITIALISEES bssend: ;fin DONNEES NON INITIALISEES ; end 24/10/07 ASR03-04TD_06V1 28