%===================================================================== % 秋田高専 3E 電子計算機用テキスト % 機械語命令の書きかたとデータ転送 % last updated 2005.12.15 % created by Masashi Yamamoto % e-mail yamamoto@akita-nct.jp %===================================================================== \documentclass[10pt,a4paper]{jarticle} \usepackage{graphicx,amsmath,amssymb,ascmac,float,misc,lgrind,float} \oddsidemargin 0mm %左の余白 25.4mm-0mm　奇数ページ \evensidemargin 0mm %左の余白 25.4mm-0mm　偶数ページ \textwidth 160mm % \newcommand{\tw}[1]{\texttt{#1}} % \begin{document} \title{機械語命令の書き方とデータ転送命令} \date{2005年12月16日} \author{山本昌志\thanks{国立秋田工業高等専門学校　電気工学科}} \maketitle % %===================================================================== \section{ここでの学習} %===================================================================== アセンブラ命令の学習が終わったので，機械語命令の説明を始める．機械語命令が終われ ば，マクロ命令である．他の2つの命令に比べて，機械語命令は数も多く，その動作も多 岐にわたる．なんと言っても，アセンブラのプログラムの中心はこの機械語命令である． プログラムの目的であるデータの加工は，ほとんど機械語命令で実行される． この命令は，CPUの機能を表しているので，注意深い諸君は，CPUを作るために必要な機能 の概略を理解できるであろう．実際，COMET IIと同じような命令が，世の中で使われてい るほとんどのCPUに実装されている．市販のCPUはCOMET IIより複雑な命令にも対 応しており，プログラマーには便利になっていいる． 機械語命令は数が多いので，しばらくは機械語命令の学習を進めることになる．命令の文 法は教科書に書いてある．プリントではその補助的な説明を行うことにする． ここでのの学習のゴールは， \begin{itemize} \item{機械語命令の書き方が分かる．} \item{データ転送命令が理解できる．} \begin{description} \item[\tw{LD}]レジスターへのデータ転送 \item[\tw{ST}]メモリーへのデータ転送 \item[\tw{LAD}]レジスターへアドレス転送 \end{description} \end{itemize} である． % %===================================================================== \section{機械語命令の書き方} %===================================================================== %--------------------------------------------------------------------- \subsection{命令形式} %--------------------------------------------------------------------- 教科書に書かれているように，機械語命令の書き方は，オペランドが異なる5 種類に分類 できる．機械語命令の場合，CASL IIの1行は機械語命令の1, 2ワードのマシン語に変換さ れて，メインメモリーに格納される．1ワードは16ビットで，2ワードは32ビットである． その1あるいは2ワードで，命令の種類と対象であるオペランドを示すマシン語になる \footnote{マシン語への変換は，教科書のp.213を見よ}． 機械語命令の書き方は，オペランドの指定の仕方により，以下の5通りに分類できる． \vspace{5mm}\\ % \hspace{10mm} \begin{tabular}{llll}\hline \textbf{\footnotesize ラベル欄}　 & \textbf{\footnotesize 命令コード欄} & \textbf{\footnotesize オペランド欄} & \textbf{\footnotesize 注釈欄}\\ \hline % \tw{[label]} & \tw{OP} & \tw{r1,r2} & \tw{;レジスタ同士の操作}\\ % \tw{[label]} & \tw{OP} & \tw{r,}\textit{adr}\tw{[,x]} & \tw{;レジスタとメモリーの操作}\\ % \tw{[label]} & \tw{OP} & \textit{adr}\tw{[,x]} & \tw{;メモリーの操作}\\ % \tw{[label]} & \tw{OP} & \tw{r} & \tw{;レジスタの操作}\\ % \tw{[label]} & \tw{OP} & & \tw{;メモリーやレジスタを操作しない}\\ \hline \end{tabular}\\ \vspace{3mm} % これを見て分かるように，機械語命令の多くは，メモリーやレジスターを操作する．プロ グラムの目的は，データを処理することで，そのデータはメモリーまたはレジスターに格 納されることからも，そのことが理解できる． % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{オペランドの内容} %--------------------------------------------------------------------- 命令の対象となるオペランドの書き方は，先に示したように，5種類である．これらの内， \tw{r1}と\tw{r2}, \tw{r}が汎用レジスタを示している．\tw{GR0}とか，\tw{GR1}と書く． 汎用レジスタの範囲は，\tw{GR0}から\tw{GR7}までである． \tw{x}は指標レジスタを示している．指標レジスタについては，第6回の授業で説明した が，忘れていると思うので，再度説明する．プログラムを書いているとき，基準点のアド レスにある値を加算してデータにアクセスしなくてはならないことがある．このようなと きに指標レジスタを使う．CASL IIでは，オペランド欄に， % \vspace{-3mm} \begin{quote} \setlength{\baselineskip}{12pt} \begin{verbatim} adr,x \end{verbatim} \end{quote} \vspace{-5mm} % と書く．\tw{adr}が基準点のアドレスで，\tw{x}が指標レジスタである．実際にデータが 操作される実行アドレスは，\tw{adr+x}ということになる．\tw{adr}は，つぎに述べる方 法でアドレスを指定する．加算する値を格納するのは指標レジスタ(index register)で汎 用レジスタの\tw{GR1}〜\tw{GR7}を使う．どうして，\tw{GR0}はダメなのか?．命令をマ シン語に直すとこの理由が分かる．このように，指標レジスタを用いて，アドレスを操作 することをアドレス修飾と言う． % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{アドレス} %--------------------------------------------------------------------- メインメモリーの中に格納されているプログラム(命令とデータ)にアクセスしないと， CPUは何もできない．メモリーの特定の場所の内容を参照するために，記憶領域に応じて 番地が振り分けられている．その番地のことをアドレスと言う． COMET IIのメインメモリーのアドレスは，16ビットである．従って，アドレスの範囲は， 0〜65535(\#0000〜\#FFFF)番地となる．このメモリー空間は，20年くらい前の8ビットパ ソコンと同じである．64kバイトです．ちなみに，いま主流の32ビットパソコンのメモリー 空間は32ビットで，4Gバイトにもなる．メモリーにアクセスする場合，番地を指定しなく てはならない．その番地の指定方法を述べる． 教科書に書かれている通り(p.39)，アドレスは，つぎに示す3通りの方法で記述でる．最初の2つ の10進数と16進数を使う場合，絶対アドレスを指定することになる．よっぽどのことがな いかぎり，絶対番地を指定することはない\footnote{実際は，メモリーの番地ではないが， 数値を使うことがある．後で説明する．}．なぜならば，実際のプログラムを実行する場 合，データがどの番地に格納されているかは，プログラマは分からない．プログラム実行 段階で，OSが決めるからである．従って，みなさんは最後のアドレス定数を使うことにな る． \vspace{3mm} \hspace{5mm} \begin{tabular}{p{25mm}p{105mm}} 10進定数 & 10進数の定数を用いる．内容は，教科書に書かれている通 り． \\ 16進定数 & 16進数の定数を用いる．16進数であることを表すために， 先頭に\tw{\#}を付ける．\\ アドレス定数 & ラベル名を指定する．アセンブラーにより，ラベル名がア ドレスに変換される． \end{tabular} % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{リテラル} %--------------------------------------------------------------------- 機械語命令のオペランドの\textit{adr}は，アドレスを示すことは先に述べた通りである． アドレスの指定は，10進定数と16進定数，アドレス定数がある．さらに，リテラルでもそ れを指定できる．リテラルを用いたアドレスは，10 進定数や16進定数，あるいは文字定 数の前に'\tw{=}'の記号をつける． 教科のリテラル形式をアセンブルすると，\tw{DC}命令を使ったのマシン語になる．あと は，教科書の通り(p.39)． %===================================================================== \section{データ転送命令} %===================================================================== メインメモリーからレジスタに，あるいはレジスタからメモリーにデータを転送する命令 の使い方を示す．いずれの場合も，1回のデータの転送量は1ワード(16ビット)である．メ モリーやレジスタの領域は複数あるので，その位置を指定しなくてはならない．メモリー の場合は先ほど示した方法でアドレスを指定する．レジスターの場合はその名前で転送場 所を指定する． % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{レジスターへの転送(LD)} %--------------------------------------------------------------------- %-------------------- \subsubsection{内容} %-------------------- \begin{description} \item[役割]{レジスターにデータを転送する．} \end{description} LD:LoaD % \begin{screen} \textbf{\Large 書式}\hspace{10mm} \begin{tabular}{lll}\hline \textbf{\footnotesize ラベル欄}　 & \textbf{\footnotesize 命令コード欄} & \textbf{\footnotesize オペランド欄} \\ \hline \tw{label} & \tw{LD} & \tw{r1,r2} \\ \tw{label} & \tw{LD} & \tw{r,}\textit{adr}\tw{[,x]} \\ \hline \end{tabular} \end{screen} % \begin{itemize} \item{フラグレジスターの値は変化する．} \end{itemize} COMET IIでは，算術演算や論理演算は必ず汎用レジスター上で行われる\footnote{演算は CPUが行うため，その記憶領域であるレジスターが使われるのは当たり前である．}．その ため，演算の対象となるデータを汎用レジスターに格納しなくてはならない．\tw{LD}命 令は，メインメモリーのあるアドレスのデータを汎用レジスタにコピーする命令として使 われる．そればかりではなく，汎用レジスター間のコピーにも使われる．しかし，汎用レ ジスターからメインメモリーや，メインメモリーからメインメモリーへのコピーはできな い．メインメモリーへのコピーはST 命令を使う． 語源は，英語の1oadである．loadのにはいろいろ意味があるが，その中で'読み込む' と意味で使われている．パソコンでアプリケーションを実行するとき，ハードディスク にあるプログラムをメインメモリーへ読み込むこともロードという．ネットでのファ イルの受け渡しのことも，ダウンロードやアップロードという． % %-------------------- \subsubsection{例} %-------------------- \begin{quote} \setlength{\baselineskip}{12pt} \begin{verbatim} LD GR0,GR1 ;GR1の内容をGR0へコピー LD GR0,A ;ラベルAが示す番地の内容をGR0へコピー LD GR0,A,GR1 ;(A+GR1)番地の内容をGR0へコピー LD GR1,GR1 ;GR1の符号をチェック \end{verbatim} \end{quote} % % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{メモリーへの転送(ST)} %--------------------------------------------------------------------- %-------------------- \subsubsection{内容} %-------------------- \begin{description} \item[役割]{レジスターの内容をメモリーへ転送する．} \end{description} ST:STore % \begin{screen} \textbf{\Large 書式}\hspace{10mm} \begin{tabular}{lll}\hline \textbf{\footnotesize ラベル欄}　 & \textbf{\footnotesize 命令コード欄} & \textbf{\footnotesize オペランド欄} \\ \hline \tw{label} & \tw{ST} & \tw{r,}\textit{adr}\tw{[,x]} \\ \hline \end{tabular} \end{screen} % \begin{itemize} \item{フラグレジスターの値は変化しない．} \end{itemize} ST命令は，LD命令とは逆に，汎用レジスタの内容をメインメモリの指定番地にコピーする． 語源はSToreで，'備蓄する'などの意味がある．書式や機能は教科書に書かれている通り(p.42)． % %-------------------- \subsubsection{例} %-------------------- \begin{quote} \setlength{\baselineskip}{12pt} \begin{verbatim} ST GR0,A ;GR0の内容をメインメモリーのA番地へコピー ST GR0,A,GR1 ;GR0の内容を(A+GR1)番地へコピー \end{verbatim} \end{quote} % % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{アドレスの転送(LAD)} %--------------------------------------------------------------------- %-------------------- \subsubsection{内容} %-------------------- \begin{description} \item[役割]{実効アドレスを汎用レジスターにロードする．} \end{description} LAD:Load ADdress % \begin{screen} \textbf{\Large 書式}\hspace{10mm} \begin{tabular}{lll}\hline \textbf{\footnotesize ラベル欄}　 & \textbf{\footnotesize 命令コード欄} & \textbf{\footnotesize オペランド欄} \\ \hline \tw{label} & \tw{LAD} & \tw{r,}\textit{adr}\tw{[,x]} \\ \hline \end{tabular} \end{screen} % \begin{itemize} \item{フラグレジスターの値は変化しない．} \end{itemize} LD命令は，メインメモリーの指定した番地の内容(データ)を汎用レジスタにコ ピーする．一方，LAD命令は，その番地(実効アドレス)を汎用レジスタにコピー する． 実効アドレス(adr,[x])の指定に10進定数や16進定数を指定することにより， 直接，汎用レジスタに値を格納することができまる．そのため，汎用レジスタ に初期値を設定したり，制御変数の値を操作するときに使われ，非常に使い勝 手のある命令になっている． % %-------------------- \subsubsection{例} %-------------------- \begin{quote} \setlength{\baselineskip}{12pt} \begin{verbatim} LAD GR0,A ;ラベルAの実効アドレスをGR0へコピー LAD GR0,A,GR1 ;(A+GR1)をGR0コピー LAD GR0,4 ;GR0の内容を4に設定 LAD GR1,0,GR2 ;GR2の内容をGR1へコピー LAD GR1,3,GR2 ;(3+GR2の内容)をGR1へコピー LAD GR1,1,GR1 ;GR1の値を1増加させる LAD GR1,-1,GR1 ;GR1の値を1減少させる \end{verbatim} \end{quote} % % %===================================================================== \end{document}