Об исключенных командах или за что «списали» инструкцию INTO?
ВведениеГоворят, и это почти не шутка, что для того, чтобы хорошо понять язык программирования, нужно написать транслятор с него. Тогда по аналогии, чтобы лучше понять систему команд процессора, нужно написать транслятор с ассемблера. Как раз некоторое время назад автор занялся доработкой своего транслятора с ассемблера, вводя новый для себя режим x86-64. Поскольку этот ассемблер имеет специальные макросредства ввода новых команд [1], его переделка не была сложной, хотя и потребовала добавления директивы «REX» для формирования кодов REX-префиксов. Но статья не об этом. При систематизации расширений системы команд в режиме x86-64 внимание привлек ряд «выбывших» (retired) команд, «уволенных в отставку» разработчиками архитектуры AMD64. Я не нашел в Интернете каких-либо документов, объясняющих это решение. Вероятно, самим разработчикам причина казалась вполне очевидной: данные команды «устарели» и практически нигде не используются. Рассмотрим, так ли это.Исключенные командыСогласно документации Intel [2] в список выбывших в режиме x86-64 команд вошли:
Системной командой ARPL большинство «обычных» программистов (включая автора) никогда не пользовалось, и целесообразность её исключения пусть оценивают программисты, пишущие ядра ОС. Исключение команд манипуляции сегментными регистрами DS, ES, SS, важных когда-то в эпоху MS-DOS, тоже не вызывает никаких сожалений, тем более, что разработчики архитектуры все-таки оставили возможность и в режиме x86-64 «раскрашивать» данные с помощью сегментных регистров FS и GS, что, например, может быть нужно при работе параллельных потоков в задаче. Таким образом, остается рассмотреть ценность наличия команд запоминания и восстановления всех регистров, контроля индексов, двоично-десятичной арифметики и контроля целочисленного переполнения. Команды запоминания и восстановления всех регистров PUSHAD и POPADНа первый взгляд кажется, что эти команды часто нужны. Но, например, проанализировав используемую системную библиотеку, я нашел лишь одно такое место, да и то в процедуре отладочной выдачи. Там это сделано для того, чтобы выдачу можно было вставить в любое место, даже посередине выражения, не влияя на среду. Т.е. команды запоминания и восстановления среды используются сейчас гораздо меньше, чем в эпоху MS-DOS. Поэтому в программах, хотя и громоздко перечислять имена всех регистров, но, к счастью, делать это нужно достаточно редко. Кроме того, в ассемблере [1] есть макрокоманда, позволяющая записывать несколько команд одной псевдоинструкцией и аналогичная ей макрокоманда восстановления, например:PUSH EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI POP EDI,ESI,EDX,ECX,EBX,EAXКонечно, немного неудобно, но выбрасывание команд PUSHAD и POPAD — это мелочь, из-за которой не стоило бы писать статью. Команда контроля индексов массива BOUNDНапомню, данная команда предполагает, что в регистр засылается индекс массива (со знаком), а адресная часть указывает на память, содержащую пару границ, на попадание внутрь которых содержимое данного регистра и проверяется. В случае выхода индекса из этих границ генерируется специальное исключение INT 5. Однако иногда возникают некоторые трудности с применением этой команды. Рассмотрим простейший пример доступа к элементу двумерного массива на (так любимом автором) языке PL/1 [3]:DCL X(1:100,1:100) FLOAT(53); DCL (I,J) FIXED(31); X(I,J)=1e0;Транслятор (в режиме без контроля индексов) преобразует это в следующие команды: imul edi,I,800 mov eax,J lea edi,X+0FFFFFCD8h[edi+eax*8] mov esi,offset const_1e0 movsd movsdВидно, что старший индекс I появляется в регистрах, так сказать, не в «чистом» виде, а уже как результат умножения на предыдущую размерность. Кроме этого, вместо индекса-переменной в программе может быть выражение. Поэтому часто эффективнее (без отдельной загрузки только для контроля) проверять правильность не самого индекса, а некоторого предвычисленного значения. Но в таком случае предварительно надо проверять на переполнение и результат умножения. Причем нежелательно при переполнении вызывать исключительную ситуацию с другим номером, чтобы не вводить программиста в заблуждение относительно первопричины ошибки. Несмотря на такие тонкости, использование инструкции BOUND позволяет на аппаратном уровне выполнить две проверки за один раз. Отсутствие этой команды потребует или вставлять собственные процедуры проверок и раздувать код программы или, оставив в программе запрещенную теперь BOUND, обрабатывать исключение от неё самой и эмулировать её работу. Но в этом случае каждая проверка будет вызывать исключение, а раньше — только редкий реальный выход индекса за допустимые рамки. Как говорится, почувствуйте разницу. Хотя признаюсь, в своих программах по историческим причинам я не использую BOUND, а применяю прямую проверку результата умножения в паре регистров EDX:EAX. Этот несколько архаичный прием позволяет отказаться от дополнительной проверки переполнения, поскольку сравнение идет сразу с «расширенными» границами, также умноженными на предыдущую размерность. Тогда вот во что выливается предыдущий пример в режиме с проверкой индексов, но без использования BOUND: mov eax,800 imul I mov edi,eax push 800 push 80000 call ?serv3 mov eax,8 imul J add edi,eax push 8 push 800 call ?serv3 lea edi,X+0FFFFFCD8h[edi] mov esi,offset const_1e0 movs movsВнутри вставляемого транслятором вызова системной подпрограммы ?SERV3 значение в EDX:EAX проверяется на попадание в диапазон двух 8-байтных значений, передаваемых через стек. Причем для компактности кода транслятор выбирает эту подпрограмму в случае, когда старшие байты результата умножения границ на размерность равны нулю, и через стек передает ей только младшие байты:
public ?serv3:
push 0 ;добавляем ноль как старшие байты
;---- не ниже нижней границы ? ----
sub [esp]+0ch,eax
sbb [esp]+000,edx
jl @
cmp d ptr [esp]+0ch,0
jnz err
;---- не выше верхней границы ? ----
@: mov d ptr [esp],0
sub [esp]+08h,eax
sbb [esp]+000,edx
jl err
;---- контроль прошел нормально ----
add esp,4 ;выбросили ноль из стека
ret 8
;---- исключение по выходу индекса за границы ----
err: …
Но такой подход — это, скорее, исключение из правила, а, в общем, безусловно, использование BOUND позволяет упростить код и избежать условных переходов. В приведенном примере как раз и видно, насколько громоздким становится контроль индексов без использования аппаратных средств.
Команды двоично-десятичной арифметикиСудя по компьютерным форумам, не все представляют, как именно используются команды двоично-десятичной арифметики, и главное, зачем они вообще введены. Иногда говорят, что это нужно для арифметики чисел, записанных в виде текста, чтобы не переводить в двоичный вид и обратно. Это не так. Данные команды работают не с текстовым представлением чисел, а со специальным двоично-десятичным кодом (BCD). Основное его назначение — точное представление чисел с дробной частью, представленной в виде десятичной дроби. В таком виде можно проводить арифметические вычисления без округлений и потери точности, а это важно в некоторых научных и особенно финансово-экономических расчетах с их сложными процентами. Тогда зачем ввели целых 6 команд и два BCD-формата (упакованный и неупакованный)? Дело в том, что пытались найти компромисс между скоростью и размером чисел в памяти. Арифметика чисел в неупакованном BCD-формате проще и быстрее (используя команды AAA, AAS, AAM, AAD), зато число из 15 цифр с учетом знака занимает целых 16 байт. Во времена дорогой памяти казалось, что это слишком много. Наоборот, упакованный BCD-формат довольно «плотный». Число из 15 цифр занимает 8 байт. Сравните с 8-байтным числом в формате IEEE 754, где имеется лишь чуть больше десятичных цифр мантиссы 253 ~15.955, но при этом представление числа приближенное, а в BCD-формате — точное. По сравнению с неупакованным BCD-форматом, в упакованном формате сложнее вычислять умножение и деление. Поэтому и есть только команды DAA и DAS, а DAM и DAD никогда не существовало. Создатели используемого мною PL/1 сделали выбор в пользу упакованного BCD-формата, хотя в ретроспективе (память стала гораздо дешевле) возможно это не оптимальное решение. Но при существующем положении дел меня задевает исключение именно DAA и DAS. Для примера вот текст самой простой системной подпрограммы сложения двух BCD-чисел в стеке, вызов которой генерируется транслятором:
public ?dadop: ;вызов подставляется транслятором PL/1
lea esi,[esp]+4 ;начало 1-го BCD-числа
mov ecx,8 ;максимальная длина числа в байтах
clc
lea edi,[esi+ecx] ;начало 2-го BCD-числа
;---- цикл сложения двух BCD-чисел в стеке ----
m: lodsb
adc al,[edi] ;сложение с коррекцией
daa
stosb ;запись ответа
loop m
;---- проверка на переполнение ----
and al,0f0h ;выделили последнюю цифру ?
jz @
cmp al,90h ;отрицательный не переполнился ?
jnz ?dover ;overflow для объекта типа decimal
;---- выход с очисткой стека ----
@: pop ecx
mov esp,esi ;очистка стека
jmp ecx
Здесь складываются BCD-числа с точностью 15 десятичных цифр. Они могут иметь дробную часть, тогда за положением десятичной точки результата следит сам транслятор. При этом ничто не мешает организовать сложение с точностью, например, 150 или даже 1500 цифр. Для этого в данной подпрограмме надо лишь заменить константу 8 на значение 76 или 751. В этом главная особенность и смысл существования всего аппарата двоично-десятичной арифметики: возможность вычислений без округлений с любой заданной точностью. Такой аппарат для финансово-экономических расчетов появился во времена Кобола, т.е. очень давно используется и давно отработан. Вернемся к режиму x86-64. Исключение команд двоично-десятичной арифметики выглядит здесь какой-то «экономией на спичках». Например, взять те же DAA и DAS. Они однобайтные, не имеют параметров и (редкий случай!) не имеют исключительных ситуаций. Т.е. обрабатываются в процессоре самым простым образом. Зачем же было отключать несложную и эффективную аппаратную поддержку целого класса объектов и задач? Неужели только ради убирания нескольких примитивных инструкций? На фоне существования десятков различных типов команд, вроде SSE4, такое упрощение ничтожно. Причем эти инструкции все равно остаются в процессоре в 32-разрядном режиме. Теперь придется эмулировать их в соответствии с алгоритмами из официальной документации. Хорошо хоть флаг AF (перенос из младшей тетрады) разработчики сохранили в режиме x86-64, хотя там уже нет команд, его использующих. Без этого флага эмуляция стала бы ещё более громоздкой.
Команда контроля целочисленного переполненияВыбрасывание команды INTO в режиме x86-64 явилось для меня очень неприятным открытием. Хотя данная инструкция самая простая для эмуляции и может быть заменена всего одной командой условного перехода по флагу переполнения, главное преимущество существующей инструкции именно в том, что она аппаратная. Так же, как и в случае BOUND, эмуляция приведет к появлению или ветвлений в программе или к потоку исключений, что резко снижает эффективность выполнения. А существующая аппаратная реализация просто декодирует байт CE и в подавляющем большинстве случаев пропускает его, почти не нагружая конвейеры, предсказатель переходов и прочие внутренние элементы процессора. Удобна эта инструкция и для работы транслятора. Он просто дописывает к кодам команд, требующим контроля переполнения, байт с кодом CE и дело с концом.Например, сейчас в одном из основных проектов из числа тех, которые я сопровождаю, данная инструкция встречается в разных модулях более 3600 раз (при общей длине команд проекта 1.531.453 байт) и является штатным средством контроля правильности вычислений. Таким образом, увеличив длину кодов программы всего лишь на 0.2%, я получаю постоянный аппаратный контроль без ощутимого уменьшения скорости исполнения. Т.е. я вообще не могу заметить изменение скорости выполнения от использования данных команд. Вероятно, оно тоже составляет малые доли процента. И вспоминаю я об этом постоянном контроле только тогда, когда он срабатывает. За много лет эксплуатации программ десятки реальных случаев срабатываний исключений от инструкции INTO не раз помогали быстрее разбираться с ошибками, поскольку не давали ошибочным результатам распространяться по программе и замаскировать истинную причину ошибки. ЗаключениеИтак, развитие архитектуры процессоров объективно приводит к тому, что некоторые команды и приемы программирования становятся излишними, и в новых условиях, например, в режиме x86-64, их можно исключить. Однако, с моей точки зрения, в ряде случаев с водой выплеснули и ребенка. Решение исключить в режиме x86-64 инструкции DAA, DAS, BOUND и INTO следует признать недальновидным. Эти команды эффективно и простыми средствами осуществляли аппаратную поддержку таких действий программиста, которые остаются актуальными и в новых условиях. Конечно, работу исключенных инструкций всегда возможно описать оставшимися командами. Но таким путем со временем можно дойти и до машины Тьюринга. Рассмотренные инструкции уменьшают необходимость применения условных переходов в программе, чему в архитектуре х86 всегда придавалось особое значение. Об этом, например, свидетельствует наличие целой группы команд типа CMOV. Непонятно и какой выигрыш в архитектуре ожидали получить разработчики. «Освободившиеся» коды операций, за исключением кода ARPL, в режиме x86-64 никак не используются.Есть и ещё одна сторона этого дела, вроде и не имеющая отношения к технике. Лично я испытываю психологический дискомфорт оттого, что исчезают команды, к которым привык, и которые постоянно используются в программах. Их удобство, эффективность, а потому и целесообразность была многократно доказана и в учебной и в справочной литературе, и на практике. И вдруг некто, не снисходя до объяснения причин в доступной литературе, объявляет их лишними. Это выглядит бездоказательно. А свои доказательства я привел в данной статье. Получается, что «совершенствование» архитектуры приводит не к улучшению, а к деградации эффективности выполнения ряда действий, которые много лет исправно «несли службу» в тысячах программ. Особенно обидна потеря старых удобных средств на фоне бесконечного добавления все новых и новых команд, общее число которых в архитектуре x86-64 по моим подсчетам уже перевалило за 630. Если верить Википедии, такая же судьба сначала постигла и команды LAHF/SAHF, но потом они были все-таки возвращены. Было бы правильным вернуть и команды DAA, DAS, BOUND, а особенно INTO в архитектуру x86-64. Эту инструкцию «списали» ни за что. Литература1. Караваев Д.Ю. О специальных макросредствах в трансляторе с языка ассемблера RSDN Magazine #3, 20122. Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 2B. Order Number:253667-027US, April 2008 3. Караваев Д.Ю. К вопросу о совершенствовании языка программирования RSDN Magazine #4, 2011 Автор: Д.Ю.Караваев. 23.01.2014 Опубликовано: 2018.08.26, последняя правка: 2019.01.29 14:26
Отзывы
эмуляция INTO приведет к появлению или ветвлений в программе или к потоку исключений, что резко снижает эффективность выполнения. Насколько резко? Мои опыты показывают разницу для умножения 32-битных чисел со знаком в ~1.3 раза от бесконтрольного умножения и в ~2 раза от сложения. При этом сложение в 32-битном режиме также в 2 раза медленнее, чем в 64-битном. В целом приложении эта разница вообще не ощущается. Можете привести числа для команды INTO?
Если же брать не синтетические тесты, то разница и с JO не заметна.
TEST:PROC MAIN;Вот такой код генерируется … Для процессора i5-3210M 2.5 GHz Без INTO с INTO22 секунды против 65 секунд, итого (65-22)/2=21.5 дополнительных секунд на каждый INTO (третий INTO вызывается в сто тысяч раз меньше, им пренебрегаем). Почти удвоение или 98%. Для процессора U1500 1.33.GHz Без INTO с INTO53 секунды против 125 секунд, итого (125-53)/2=36 секунд на каждый INTO или 68%. Похоже, в 64-разрядном процессоре и в режиме 32 разряда INTO работает хуже. Но ещё учтите, что каждый условный переход ещё на 4 байта длинее INTO и код становится менее плотным, что действует на кэш.
Для 64-разрядного режима у меня по ряду причин генерируется не переход, в служебный вызов (процессор i5-4570 3.20 GHz): 000034 @1:
Наблюдается, наблюдается )) Это байт CE в конце трех команд. Оказалось ненаглядным :(
Получилось, что сложение и INTO занимают одинаковое время. В реальности будут промахи и арифметика будет медленнее INTO.
обращение к медленной памяти занимает порядка 50 тактов В современных процессорах количество транзисторов превысило 2 млрд. Логичный вопрос: почему бы не сделать память по той же технологии и на том же кристалле, чтобы обращение к памяти было столь же быстрым, как и к регистрам? На один бит нужен один триггер из двух транзисторов. Т.е. 16 млрд. транзисторов дадут 1 Гб памяти.мы бы все были ошеломлены скоростью наших программ Надо полагать, ошеломлены в плохом смысле.
Вполне вероятно, что команда INTO своим появлением в x86 обязана именно PL/1, где изначально предусматривалось исключение FIXEDOVERFLOW. Т.е. INTO нужна именно для формирования сигнала исключения, поскольку флаг переполнения сам по себе прерывания не возбуждает.
Вполне вероятно, что команда INTO своим появлением в x86 обязана именно PL/1, где изначально предусматривалось исключение FIXEDOVERFLOW Вообще то PL/1 — это детище IBM. Но и система 360/370 — тоже детище IBM. И достаточно долгие годы PL/1 существовал только на платформе IBM/360/370. Был, если так можно выразиться, «машинно-ориентированным языком высокого уровня». В системе IBM/360/370 при появлении переполнения (как и многих других событий типа деления на ноль) сразу происходило прерывание. Не важно, на чём ты пишешь, на ассемблере, Фортране или PL/1 — прерывание было неизбежно и не требовало дополнительных команд. Закрыть (выставить запрещающую прерывание маску) его можно было только на уровне привилегий 0, это режим ядра.Полагаю, что в архитектуре Intel больше ориентировался на PDP-11. Именно с PDP-11 и языка Си пошла мода не реагировать на переполнения. В архитектуре IBM не было стека, в PDP и Intel он есть. Даже название команд говорит о сходстве с PDP и несходстве с IBM. IBM PDP Intel КомандаFIXEDOVERFLOW (мне так помнится) указывало операционной системе обработчик прерывания. В случае переполнения срабатывал этот обработчик, но программа потом могла работать дальше. При отсутствии обработчика программа просто завершала выполнение, а в листинге выдавался код прерывания. Мне кажется, что такая стратегия была правильна. Но... В своё время профессионалы эпохи мейнфреймов сравнивали наступление эпохи ПК с нашествием варваров на древний Рим: взамен взвешенных архитектурных решений пошли в ход тяп-ляп архитектуры и сделанное на коленках ПО. Упадок науки и искусства, тожество вульгарности и безвкусицы... Раньше ПО шло в комплекте с «железом», за качество и того, и другого отвечал производитель. Но потом ПО стали продавать отдельно, и чтобы не отвечать за качество, придумали принцип «as is»...
Конкретно же в случае целочисленного переполнения логика разработки могла быть такой: для адресной арифметики переполнение дает заворот и хорошо. Для неадресной арифметики переполнение должно давать исключение — сделаем специальную команду, которую транслятор и расставит где надо. На мой взгляд, INTO можно было сделать вообще префиксом, вроде LOCK, но и так не плохо. Кстати, в моем компиляторе есть две команды сложения (таблица в строке 280 файл PL1A) «add q» и «add». Они отличаются только необходимостью контроля переполнения, в случае «add q» транслятор никогда не добавляет INTO — поскольку это сложение для получения адреса.
Интел отпочковался из ИБМ А вот и не так. Рассказываю: «Авраам родил Исаака; Исаак родил Иакова; Иаков родил Иуду и братьев его»…Уильям Шокли, выходец из Bell Labs, создал в 1956 году Shockley Semiconductor Laboratory. Осенью 1957 «вероломная восьмёрка» (восемь молодых сотрудников, недавних выпускников вуза) уволилась из Shockley Semiconductor Laboratory и основала свою собственную компанию, Fairchild Semiconductor. Компанию Intel в1968 году основали Роберт Нойс и Гордон Мур, ушедшие из Fairchild Semiconductor. — это из Википедии.не считаю x86 непродуманной архитектурой Порядок байтов в x86 можно было бы сделать нормальным. Они же решили идти оп пути DEC, родившей PDP-11.для адресной арифметики переполнение дает заворот и хорошо Так это тоже неправильно. Это же ошибка — выход за пределы адресного пространства.
DCL X(1:100) FIXED(31);Чтобы получить адрес с индексом 1 нужно «отступить» на минус 4 байта. Как раз сложение с заворотом A190010000 mov eax,I
Написать автору можно на электронную почту |
2018/10/04 17:39, Автор сайта