Informatique au lycée Faustin Fleret

Instructions machine

Le CPU ne gère que des grandeurs booléennes : les instructions exécutées au niveau du CPU sont donc codées en binaire. L'ensemble des instructions exécutables directement par le microprocesseur constitue ce que l'on appelle le langage machine.

Les langages de programmation « évolués » (Python, C++, …), destinés à être utilisés par des humains, se composent d'instructions complexes, opérant sur des types de données beaucoup plus complexes que des booléens.

Il faudra donc passer par une étape de « conversion » du langage évolué vers le langage machine, chaque instruction du langage « évolué » donnant lieu à un grand nombre d'instructions « élémentaires » du langage machine. On distinguera l'opération de compilation (conversion de tout le code évolué en langage machine) de l'opération d'interprétation (la conversion est réalisée au fur et à mesure du déroulement du code).

Une instruction machine est une chaîne binaire composée principalement de 2 parties :

• le champ « code opération » qui indique au processeur le type de traitement à réaliser.
  Par exemple le code « 0010 0110 » donne l'ordre au CPU d'effectuer une multiplication.
• le champ « opérandes » indique la nature des données sur lesquelles l'opération désignée par le « code opération » doit être effectuée.

Les instructions machines sont relativement basiques (on parle d'instructions de bas niveau), voici quelques exemples :

• les instructions arithmétiques (addition, soustraction, multiplication…).
  Par exemple, on peut avoir une instruction qui ressemble à « additionne la valeur contenue dans le registre R1 et le nombre 789 et range le résultat dans le registre R0 ».
• les instructions de transfert de données qui permettent de transférer une donnée d'un registre du CPU vers la mémoire vive et vice versa.
  Par exemple, on peut avoir une instruction qui ressemble à « prendre la valeur située à l'adresse mémoire 487 et la placer dans la registre R2 » ou encore « prendre la valeur située dans le registre R1 et la placer à l'adresse mémoire 512 ».
• les instructions de rupture de séquence : les instructions machines sont situées en mémoire vive dans l’ordre :
  Par exemple : si l'instruction n°1 est située à l'adresse mémoire 343, l'instruction n°2 sera située à l'adresse mémoire 344, l'instruction n°3 sera située à l'adresse mémoire 345…
  Au cours de l'exécution d'un programme, le CPU passe d'une instruction à une autre en passant d'une adresse mémoire à l'adresse mémoire immédiatement supérieure :
  Par exemple, après avoir exécuté l'instruction n°2 (situé à l'adresse mémoire 344), le CPU « va chercher » l'instruction suivante à l'adresse mémoire 344+1=345.
  Les instructions de rupture de séquence d'exécution encore appelées instructions de saut ou de branchement permettent d'interrompre l'ordre initial sous certaines conditions en passant à une instruction située une adresse mémoire donnée.
  Par exemple, dans le cas où à l'adresse mémoire 354 nous avons l'instruction suivante : « si la valeur contenue dans le registre R1 est strictement supérieure à 0 alors exécuter l'instruction située à l'adresse mémoire 4521 ».
  Si la valeur contenue dans le registre R1 est strictement supérieure à 0 alors la prochaine instruction à exécuter est l'adresse mémoire 4521, dans le contraire, la prochaine instruction à exécuter est à l'adresse mémoire 355.

Comme déjà dit, les opérandes désignent les données sur lesquelles le code opération de l'instruction doit être réalisée. Un opérande peut être de 3 natures différentes :

1. l'opérande est une valeur immédiate : l'opération est effectuée directement sur la valeur donnée dans l'opérande
2. l'opérande est un registre du CPU : l'opération est effectuée sur la valeur située dans un des registres (R0, R1, R2,…), l'opérande indique de quel registre il s'agit
3. l'opérande est une donnée située en mémoire vive : l'opération est effectuée sur la valeur située en mémoire vive à l'adresse XXXXX. Cette adresse est indiquée dans l'opérande.

Exemples :

• quand on considère l'instruction machine :
  « additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1 »
  nous avons 2 valeurs : « le nombre 125 » (qui est une valeur immédiate : cas n°1) et « la valeur située dans le registre R2 » (cas n°2)
• quand on considère l'instruction machine :
  « prendre la valeur située dans le registre R1 et la placer à l'adresse mémoire 512 »
  nous avons 2 valeurs : « à l'adresse mémoire 512 » (cas n°3) et « la valeur située dans le registre R1 » (cas n°2)

Assembleur

Le microprocesseur étant incapable d'interpréter la phrase « additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1 », il faut coder cette instruction sous forme binaire :

« additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1 »
⇓
« 11100010100000100001000001111101 »

Afin de faciliter la lecture et l'écriture d'instructions machine par les informaticiens, on remplace les codes binaires par des symboles mnémoniques, en utilisant la syntaxesyntaxe La syntaxe concerne le signifiant, soit ce qu'est l'énoncé. du langage appelé assembleur.

« additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1 »
⇓
« ADD R1,R2,#125 »
⇓
« 11100010 10000010 00010000 01111101 »

Remarque : chaque élément de l'instruction occupe une quantité de mémoire bien définie. Par exemple, en architecture ARM :

• L'instruction ADD occupe les 12 bits de poids fort
• Les adresses des registres R1 et R2 occupent chacune 4 bits
• L’opérande #125 occupe les 12 bits de poids faible

Pour en savoir plus : Présentation Architecture et jeu d’instructions ARM

 

Exemples d'instructions en assembleur

LDR R1,78

STR R3,125

ADD R1,R0,#128

ADD R0,R1,R2

SUB R1,R0,#128

SUB R0,R1,R2

MOV R1, #23

MOV R0, R3

B 45

CMP R0, #23

CMP R0, R1

CMP R0, #23
BEQ 78

CMP R0, #23
BNE 78

CMP R0, #23
BGT 78

CMP R0, #23
BLT 78

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