IL LINGUAGGIO DEL CALCOLATORE

Presentiamo un esempio di linguaggio macchina, cioè di quello compreso direttamente dal calcolatore, per una macchina come quella vista precedentemente.

Un'istruzione è una sequenza di bit, dove una parte di questi bit definisce il codice operativo, mentre i rimanenti definiscono gli operandi.
In questo caso

istruzione lunga 16 bit
codice operativo: 4 bit (al più 16 istruzioni)
operandi:12 bit (lunghezza degli indirizzi della memoria)

Esecuzione di un'istruzione

L'attività del calcolatore consiste nel leggere ed eseguire le istruzioni del programma (che si trovano in memoria centrale) a partire da un preciso indirizzo.
L'esecuzione di un'istruzione si svolge in tre fasi, regolate dal clock:

Acquisizione dell'istruzione dalla memoria centrale (fase di fetch)

RI <- PC
RD <- MEM[RI]
RIC <- RD
PC <- PC +1

Interpretazione

l'unità di controllo esamina il codice operativo dell'istruzione in RIC

esecuzione vera e propria

differente per ogni istruzione (vedremo dopo), può modificare anche il PC

Unità di misura per la velocità delle CPU

HERTZ = 1 ciclo per secondo

attualmente la velocità sono dell'ordine di MHz (Megahertz), o milioni di cicli per secondo

PC: 33 Megahertz
CRAY Y-MP: 178 Megahertz

Principali istruzioni

loada (loadb): lettura della memoria: l'operando è un indirizzo di celle della memoria
il contenuto della cella individuata dall'operando viene copiato nel registro A (B) (usando RI e RD)
storea (storeb): scrittura della memoria: l'operando è un indirizzo di celle della memoria
il contenuto del registro A (B) viene copiato nella cella individuata dall'operando (usando RI e RD)
read: lettura da una periferica: l'operando è un indirizzo di celle della memoria
un dato fornito dalla periferica (presente nel registro RDP dell'interfaccia) viene copiato nella cella individuata dall'operando
write: scrittura su una periferica: l'operando è un indirizzo di celle della memoria
il contenuto della cella individuata dall'operando viene copiato nel registro RDP dell'interfaccia
add, dif, mult, div: operazioni aritmetiche: non hanno operandi
l'operazione viene eseguita sui dati presenti nei registri A e B, il risultato viene messo in A, nel caso della divisione il resto viene messo in B
jump: salto incondizionato: determina quale istruzione eseguire al passo successivo
l'operando è un indirizzo di celle della memoria
il contenuto della cella individuata dall'operando viene copiato nel registro PC
jumpz: salto condizionato: determina quale istruzione eseguire al passo successivo in dipendenza da una condizione
l'operando è un indirizzo di celle della memoria
se il contenuto del registro A è 0, allora il contenuto della cella individuata dall'operando viene copiato nel registro PC, altrimenti non fa niente
halt: fine: fa terminare l'esecuzione del programma

Un programma consiste di una sequenza di istruzioni, quindi una sequenza di sequenze di bit.

Linguaggio assembler

È quasi impossibile scrivere direttamente un programma in linguaggio macchina, pertanto si usa qualcosa di più adatto agli umani, il cosidetto linguaggio assembler.

Le istruzioni sono individuate da codici memmonici (loada, write, ...)
Gli indirizzi delle celle di memoria che contengono dati sono denotati da nomi simbolici (nomi di variabili). Le celle di memoria denotate da nomi simbolici usate in un programma sono elencate all'inizio del medesimo.
Gli indirizzi delle celle che contengono istruzioni sono denotati da nomi simbolici scritti a sinistra delle istruzioni (etichette)
** commento indica una linea di commento all'interno del programma

Esempio di programma assembler: sommare 10 volte un numero

Nel seguito assumiamo che alcune celle scelte a priori contengono dei valori particolari, precisamente ZERO, UNO e DIECI contenenti rispettivamente 0, 1 e 10.

Primo passo descrizione schematica dell'algoritmo

**  leggo il numero e lo metto nella cella NUMERO

**  metto 0 nella cella CONT 
**  (contatore del numero di volte che la somma è stata fatta) 

**  metto 0 nella cella SOMMA (contiene la somma corrente) 
 
**  mentre il contatore è minore di 10
**  incremento di 1 CONT
**  sommo NUMERO a SOMMA

**  scrivo sull'output il contenuto di SOMMA

raffino realizzando il ciclo con i jump

**  leggo il numero e lo metto nella cella NUMERO

**  metto 0 nella cella CONT 
**  (contatore del numero di volte che la somma è stata fatta) 

**  metto 0 nella cella SOMMA (contiene la somma corrente) 
 
**  CICLO:  incremento di 1 CONT
**  sommo NUMERO a SOMMA
**  se CONT è minore di 10, allora vado a CICLO

**  scrivo sull'output il contenuto di SOMMA

programma in assembler

NUMERO, CONT, SOMMA
**  leggo il numero e lo metto nella cella NUMERO
    read NUMERO

**  metto 0 nella cella CONT 
**  (contatore del numero di volte che la somma è stata fatta)
    loada ZERO
    storea CONT
    
**  metto 0 nella cella SOMMA (contiene la somma corrente)
    loada ZERO 
    storea SOMMA

**  CICLO:  incremento di 1 CONT
    CICLO: 
    loada UNO
    loadb CONT
    add
    storea CONT

**  sommo NUMERO a SOMMA
    loada NUMERO
    loadb SOMMA
    add
    storea SOMMA
    
**  se CONT è minore di 10, allora vado a CICLO
    loada CONT
    loadb DIECI
    dif  ** contiene 0 se CONT è uguale a 10
    jumpz FINE 
    jump CICLO

**  scrivo sull'output il contenuto di SOMMA
    FINE:  write SOMMA
    halt

ESERCIZI

Eliminare le istruzioni inutili, se ce ne sono, nel programma precedente.
Scrivere un programma in linguaggio Assembler per calcolare l'elevamento a potenza, sia la base che l'esponente vengono dati come input.
Scrivere un programma in linguaggio Assembler che ritorna la somma di tre numeri ricevuti in input.