Кодування команди та програми

Кодування та виконання команд в комп’ютері

Порядок виконання програм і команд в комп’ютері

Розділ 3

В цьому розділі розглядаються формати і типи команд, способи кодування та ви­конання команд в комп’ютері, включаючи конвеєризацію виконання команд - один з типів паралелізму на рівні команди, який може підвищити продуктивність виконання послідовності команд при відсутності конфліктів в конвеєрі. Наводиться класифіка­ція архітектури комп’ютера за типом адресованої пам’яті: стекова, акумуляторна, та на основі регістрів загального призначення. Для кожної архітектури аналізуються перева­ги і недоліки, які розглядаються в контексті застосування запропонованої архітектури. Розглядаються різні способи адресації, включаючи безпосередню, пряму, непряму, ба­зову, індексну, сторінкову і стекову. Наявність множини способів забезпечує гнучкість і зручність для програміста.

Архітектура комп’ютера розглядається на рівні системи команд, який видимий про­грамісту, що працює на мові асемблера та розробнику компіляторів, що дозволяє вста­новити межу між апаратним і програмним забезпеченням. Проводиться поділ комп’ю­терів за складом системи команд на наступні типи: комп’ютери з складною, з простою, з доповненою та спеціалізованою системою команд.

Більшість сучасних комп’ютерів працюють за принципом програмного керування, згідно з яким над даними виконуються операції, тип яких вказується командами, які зберігаються в тій же пам’яті, що і дані. Послідовність команд, за яким виконується за­дача, називається програмою. Для того, щоб виконати на комп’ютері задачу, необхідно:

- забезпечити вибірку команд програми із його пам’яті в заданій послідовності, організувавши звернення до неї за відповідними адресами;

- забезпечити розпізнавання типів виконуваних операцій;

- організувати звернення до пам’яті за відповідними адресами для вибірки необхід­них для виконання кожної команди даних;

- організувати виконання над даними операцій відповідно до вказівок команд;

- запам’ятати результати обчислень.

Розглянемо як це відбувається в комп’ютері детальніше.

Команда в комп’ютері зберігається в двійковій формі. Вона вказує тип операції, яка має бути виконаною, адреси операндів, над якими виконується операція, та адреси роз­міщення результатів виконання операції. Відповідно до цього команда складається з двох частин, як це показано на рис. 3.1: коду операції та адресної частини.

Коп А

0 k-1 0 m-1

Рис. 3.1. Кодування команди

Поле коду операції (КОП) займає k розрядів. Ним може бути закодовано до N = 2^k різних операцій. Кількість двійкових розрядів, які відводяться під код операції, вибира­ється таким чином, щоб ними можна було закодувати всі виконувані в даному комп’юте­рі операції. Якщо деякий комп’ютер може виконувати Nc різних операцій, то мінімальна розрядність поля коду операції k визначається наступним чином: k = [log₂ Nc], де вираз в дужках означає заокруглення до більшого цілого.

Поле адреси (адресна частина) займає m розрядів. В ньому знаходяться адреси опе­рандів. Кожна адреса займає m_i розрядів, де і - номер адреси (і=1,2,...1), 1 - кількість адресних полів. Кожною адресою можна адресувати пам’ять ємністю 2^mi слів. Детальна інформація про зв’язок між ємністю пам’яті та розрядністю адреси наведена в розділі 9, в якому описана будова пам’яті.

Розмір команди k + m повинен бути узгодженим з розміром даних, тобто бути з ним однаковим або кратним цілому числу, що спрощує організацію роботи з пам’яттю. Як правило, розмір команди рівний 8, 16, 32 біти.

При написанні програми крім двійкової можуть використовуватись й інші форми представлення команд: вісімкова, шістнадцяткова, символьна (мнемонічна).

Використання вісімкового і шістнадцяткового кодування дозволяє скоротити запи­си і спростити роботу програміста. Як відомо 3 двійкових розряди (тріада) замінюються на 1 вісімковий, а 4 двійкових розряди (тетрада) - на 1 шістнадцятковий. Приклад: (000011111111)₂ = (0377)₈ = (0FF)₁₆

Мнемонічне кодування спрощує процес написання, читання і відлагодження про­грами. Основний принцип такого кодування - кожна команда представляється 3-х або 4-х буквеним символом, який показує назву команди. Деякі приклади мнемонічного ко­дування:

ADD - додати (add),

SUB - відняти (subtract),

MPY - перемножити (multiply),

DIV - поділити (divide),

LOAD - зчитати дані з пам’яті (load data from memory),

STORE - записати дані в пам’ять (store data to memory).

Операнди також представляються символічно. Наприклад команда ADD R, Y озна­чає додавання вмісту комірки пам’яті Y до вмісту регістра R. Зауважимо, що операція виконується над вмістом, а не над адресою комірки пам’яті та регістра.

Таким чином, з’являється можливість написання машинних програм в символічній формі. Повний набір символічних назв і правила їх використання утворюють мову про­грамування, відому як асемблерна мова. Символічні імена називаються мнемонічними, а правила їх використання для створення команд і програм називаються синтаксисом мови.

Програма, яка переводить із мнемонічного коду асемблерної мови в машинний, на­зивається асемблером. Команди, які використовуються для переводу вихідної програми в асемблерну, називаються командами асемблера. Ці команди вказують як інтерпретува­ти назви, де розмістити програму в пам’яті, яка кількість комірок пам’яті необхідна для зберігання даних.

Асемблерна мова є дуже далекою від мови людини і заставляє програміста думати виходячи з принципів побудови комп’ютера. Тому були створені мови високого рівня та компілятори, які переводять програми з цих мов на мову асемблера. Використання мов високого рівня має цілий ряд переваг в порівнянні з використанням асемблера. По-перше, програміст пише програми на мові, близькій до його мови спілкування. Більше того, мови високого рівня орієнтуються на класи вирішуваних задач. По-друге, скорочується час написання програм. І по-третє, мови високого рівня є незалежними від типу та архі­тектури комп’ютера, що дозволяє використовувати написані на цих мовах програми на всіх комп’ютерах, а програміста звільнити від знання їх структури та організації роботи.

Разом з тим, хоча більшість програм сьогодні пишуться на мовах високого рівня, асемблерна мова є корисним засобом для написання машинних команд завдяки близь­кості до машинної мови, наочності та компактності, і ми також будемо її для цього ви­користовувати.

Дата добавления: 2014-11-06