Структура и форматы команд ЭВМ
Все возможные преобразования, дискретной информации могут быть сведены к четырем основным видам:
- передача информации в пространстве (из одного блока ЭВМ в другой);
- передача информации во времени (хранение);
- логические (поразрядные) операции;
- арифметические операции.
ЭВМ, являющаяся универсальным преобразователем дискретной информации, выполняет указанные виды преобразований.
Обработка информации (решение задач) в ЭВМ осуществляется автоматически путем программного управления. Программа представляет собой алгоритм обработки информации (решение задачи), записанный в виде последовательности команд, которые должны быть выполнены машиной для получения результата.
Команда представляет собой код, определяющий операцию и данные, участвующие в операции. Команда содержит также в явной или не явной форме информацию об адресе, по которому помещается результат операции, и об адресе следующей команды.
По характеру выполняемых операций различают следующие основные группы команд:
а) команды арифметических операций над числами с фиксированной и плавающей точками;
б) команды десятичной арифметики;
в) команды логических операций;
г) команды передачи кодов;
д) команды операций ввода-вывода;
е) команды передачи управления;
ж) команды задания режима работы машины и др.
В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация об адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся.
Команда в общем случае состоит из операционной и адресной частей (рис.2.2,а).
В свою очередь, эти части, что особенно характерно для адресной части, могут состоять из нескольких полей.
Рис. 2.2. Структуры команд: а) обобщенная; б) четырех-; в) трех-;
г) двух -; д) одно -; е) безадресная
Операционная часть содержит код операции (КОП), который задает вид операции (сложение, умножение и др.). Адресная часть содержит информацию об адресах операндов и результате операции, а в некоторых случаях -информацию об адресе следующей команды.
Структура команды
определяется составом, назначением и расположением полей в команде.
Форматом команды
называют ее структуру с разметкой номеров разрядов (бит), определяющих границы отдельных полей команды, или с указанием числа бит в определенных полях.
Важной и сложной проблемой при проектировании ЭВМ является выбор структуры и форматов команды, т.е. ее длины, назначения и размерности отдельных ее полей. Естественно стремление разместить в команде в возможно более полной форме информацию о предписываемой командой операции. Однако в условиях, когда в современных ЭВМ значительно возросло число выполняемых различных операций и соответственно команд (в компьютерах с CISC-архитектурой более 200 команд) и значительно увеличилась емкость адресуемой основной памяти (32, 64 Мб), это приводит к недопустимо большой длине формата команды.
Действительно, число двоичных разрядов, отводимых под код операции, должно быть таким, чтобы можно было представить все выполняемые машинные операции. Если ЭВМ выполняет М различных операций, то число разрядов в коде операции
nком > log 2 M, например, при М=200, пкоп = 8.
Если основная память содержит S адресуемых ячеек (байт), то для явного представления только одного адреса необходимо в команде иметь адресное поле для одного операнда с числом разрядов
nA > log2S, например, при S = 64 Мб, nA
= 26.
Вместе с тем для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия ЭВМ длина формата команды должна быть согласована с выбираемой, исходя из требований к точности вычислений, длиной обрабатываемых машиной слов (операндов), составляющей для большинства применений 32 бита с тем, чтобы для операндов и команд можно было эффективно использовать одни и те же память и аппаратные средства обработки информации. Формат команды должен быть по возможности короче, укладываться в машинное слово или полуслово, а для ЭВМ с коротким словом (8-16 бит) должен быть малократным машинному слову.
Решение проблемы выбора формата команды значительно усложняется в микропроцессорах, работающих с коротким словом.
Отмечавшиеся ранее характерные для процесса развития ЭВМ расширение системы (наборы) команд и увеличение емкости основной памяти, а особенно создание микроЭВМ с коротким словом, потребовали разработки методов сокращения длины команды. При решении этой проблемы существенно видоизменилась структура команды, получили развитие различные способы адресации информации.
Проследим изменения классических структур команд.
Чтобы команда содержала в явном виде всю необходимую информацию о задаваемой операции, она должна, как это показано на рис. 2.2,6, содержать следующую информацию:
А1 , А2; - адреса операндов, А3 - адрес результата, А4 _ адрес следующей команды (принудительная адресация команд).
Такая структура приводит к большей длине команды (например, при S = 200, S = 32 Мб длина команды - 108 бит) и неприемлема для прямой адресации операндов основной памяти. В компьютерах с RISC-архитектурой четырехадресные команды используются для адресации операндов, хранящихся в регистровой памяти процессора.
Можно установить, как это принято для большинства машин, что после выполнения данной команды, расположенной по адресу К (и занимающей L ячеек), выполняется команда из (К+L)-й ячейки. Такой порядок выборки команды называется естественным. Он нарушается только специальными командами (передачи управления). В таком случае отпадает необходимость указывать в команде в явном виде адрес следующей команды.
В трехадресной команде (рис. 2.2,в) первый и второй адреса указывают ячейки памяти, в которых расположены операнды, а третий определяет ячейку, в которую помещается результат операции.
Можно условиться, что результат операции всегда помещается на место одного из операндов, например первого. Получим двухадресную команду (рис. 2.2,г), т.е. для результата используется подразумеваемый адрес.
В одноадресной команде (рис. 2.2д) подразумеваемые адреса имеют уже и результат операции и один из операндов.
Один из операндов указывается адресом в команде, в качестве второго используется содержимое регистра процессора, называемого в этом случае регистром результата или аккумулятором (Akk). Результат операции записывается в тот же регистр:
Akk :=Аkk*ОП[А1].
Наконец, в некоторых случаях возможно использование безадресных команд (рис. 2.2,е), когда подразумеваются адреса обоих операндов и результата операции, например, при работе со стековой памятью.
С точки зрения программиста, наиболее естественны и удобны трехадресные команды. Однако из-за необходимости иметь большее число разрядов для представления адресов основной памяти и кода операции длина трехадресной команды становится недопустимо большой, и ее не удается разместить в машинном слове. Следует отметить, что очень часто в качестве операндов используются результаты предыдущих операций, хранимые в регистрах машины. По указанным причинам в современных ЭВМ применяют трехадресные команды для адресации регистров.
