Система команд. Форматы команд и способы адресации

Назначение и структура процессора

Лекция №1

Литература:

1) МУ №628 (КР) + МУ по л.р.

2) Водяхо А.И., Горнец Н.Н., Пузанков Д.В. Высокопроизводительные системы обработки данных: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1997.

3) С. Орлов, Б. Цилькер Организация ЭВМ и систем – издательство Питер, 2004,2006, 2007.

Вычислительные системы (ВС) и сети представляют собой некий комплекс аппаратных (аппаратную платформу) и программных (системное ПО) средств, позволяющих обеспечить выполнение информационных, вычислительных или управленческих процедур.

Цели создания ВС:

¨ достижение сверхвысокой производительности;

¨ увеличение эффективности использования аппаратных средств системы;

¨ повышение надежности и живучести функционирования средств вычислительной техники.

1. Поля микрокоманды. Микропрограмма. Переход к следующей микрокоманде в микропрограмме. Микропрограммная память.

Процессор (ЦП) представляет собой совокупность арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ) и служит для обработки данных и управления всей компьютерной системой в целом. Он позволяет обрабатывать данные с фиксированной точкой, плавающей точкой, поля переменной длины, а иногда и десятичные данные, назначать приоритеты доступа и управлять различными видами памяти.

В состав ЦП входят арифметическое устройство, счетчик команд, регистр команд, регистры данных, блок микропрограммного или аппаратного управления, регистры общего назначения и ряд узлов, предназначенных для связи с оперативной памятью и другими устройствами компьютера, а также для ускорения выполнения операций. Помимо этого в состав ЦП входят часы астрономического времени, таймер и ряд других «системных» средств.

Для получения результата вычислений компьютер выполняет машинную программу, т.е. последовательность команд, в виде которой записан алгоритм обработки. Команда компьютера представляет собой двоичный код, определяющий как выполняемую операцию, так и необходимые для этого данные, или операнды. Большинство команд содержит адрес, т.е. номер регистра или ячейки памяти, где сохраняется результат выполнения операции. Помимо этого, для выполнения программы нужно также знать адрес следующей исполняемой команды.

Обычно различают следующие группы команд:

· команды арифметических операций над числами с фиксированной точкой,

· команды логических операций,

· команды арифметических операций над числами с плавающей точкой,

· команды операций ввода-вывода,

· команды управления (управления циклами, условные и безусловные переходы и т.п.) и т.д.

Каждый тип компьютера обладает собственной системой команд, т.е. в нем существует аппаратура или память микропрограмм, призванная вырабатывать управляющие сигналы для реализации командных операций. Естественно, что для выполнения конкретной программы необходим компьютер, способный выполнять команды, составляющие эту программу. При разработке новых компьютеров стремятся сохранить их преемственность; для этого компьютеры выполняют «программно совместимыми». Программная совместимость означает, прежде всего, наличие одинаковых систем команд. Однако во многих случаях систему команд «расширяют», т.е. добавляют дополнительные операции, сохраняя при этом формат команд. Это значит, что новая машина может выполнять все программы, составленные для прежних компьютеров, но программы, в которых используются дополнительные команды, не могут выполняться компьютерами старых моделей. Такую совместимость называют обратной.

Команда, или инструкция (под инструкцией часто понимают конструкцию языка более высокого уровня, но в переводной литературе этот термин используют в качестве синонима термину команда) представляет собой слово, содержащее код выполняемой операции и адреса операндов. Код команды включает несколько полей (поле – последовательность бит, содержащая определенный тип информации). Обычно команда состоит из операционной и адресной частей. В операционной части размещается код операции, а в адресной части – адреса операндов, т.е. информация о местонахождении обрабатываемых данных и получаемого результата.

Формат команды – это структура полей ее кода с указанием номеров разрядов, определяющих границы полей. В универсальных машинах, обычно код операции в команде занимал 8 разрядов, а число различных операций составляло не более 256. Остальные разряды, а команды представляли собой слово размером 16, 32 или 48 разрядов, отводились под адреса операндов.

В различных машинах число адресных полей в команде может составлять от одного до четырех. Структура четырехадресной команды приведена на рис. 5.1.

КОп А1 А2 А3 А4 А4

Рис. 5.1. Структура четырехадресной команды

В такой команде первое поле кода операции (КОп) служит для кодирования выполняемой операции. Это поле «расшифровывается» логическими схемами или посредством микропрограммы и формируются управляющие сигналы для выполнения соответствующих этой операции действий. Затем располагаются четыре адресных поля: А1 – содержит адрес первого операнда, А2 – адрес второго операнда, А3 – адрес ячейки памяти, отведенной для записи результата операции, А4 – адрес ячейки, где находится следующая команда. Но такая четырехадресная команда занимает слишком много места в памяти компьютера, поэтому они в настоящее время не находят применения.

Сегодня наибольшее распространение имеют одно-, двух- и трехадресные команды, структуры которых приведены на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Структуры одно-, двух- и трехадресных команд

Трехадресные команды характерны для компьютеров с сокращенным набором команд. В трехадресной команде первый и второй адреса указывают месторасположение операндов, в третий адрес – ячейку памяти, куда заносится результат операции.

В таких машинах для определения адреса следующей выполняемой команды служит счетчик команд (IP), к содержимому которого после выполнения любой команды добавляется ее длина в байтах. Для перехода к выполнению команды, которая занимает не следующую по порядку ячейку памяти, в машине предусматривают специальные команды переходов. Трехадресные команды используются в так называемых RISC компьютерах (машинах с сокращенным набором команд); в них операнды размещают в регистрах общего назначения (РОН), число которых может достигать 256. Загрузка этих регистров из памяти осуществляется специальной схемой, называемой контроллером или процессором загрузки.

Наиболее распространены в настоящее время двухадресные компьютеры. Это машины, команды в которых содержат не более двух адресов. Можно представить, что оба операнда находятся в регистрах, а результат выполнения операции мы также будем записывать в регистр. Тогда такую команду принято называть командой RR-типа (регистр-регистр). Если один операнд находится в регистре, а второй в ячейке памяти, адрес которой индексируется, то такая команда относится к RX-типу. Команда, второй операнд которой находится в ячейке памяти без индексации, а первый в регистре, носит название RS-типа.

В команде может находиться не адрес операнда, а сам операнд (этот операнд называют непосредственным адресом, и он представляет константу), такую команду относят к SI-типу. Наконец, оба операнда могут находиться в памяти, для их вызова используют команду SS-типа.

В современном персональном компьютере IBM PC команды также двухадресные, но первый операнд всегда находится в одном из восьми регистров, а второй может находиться в регистре, памяти или непосредственно в самой команде. Помимо кода операции и адресов операндов команда этого компьютера содержит бит, указывающий направление передачи результата (d), бит ширины операнда (w), а также поле указания режима (md) и поле регистр/память (r/m).

В одноадресной машине команда содержит только один адрес, а поскольку обычно в арифметической операции используется два операнда, то второй уже находится в одном из регистров процессора. Результат операции всегда сохраняется в выходном регистре процессора, который называют аккумулятором. Очевидно, что для сложения двух чисел нужно выполнить три одноадресных команды: поместить первый операнд из памяти в регистр процессора, передать второй операнд из памяти и сложить его с первым, а затем сохранить результат в памяти. Однако на практике при выполнении программы никогда не приходится использовать все три команды. В регистре процессора сохраняется один из операндов, полученный при выполнении предыдущей операции (т.е. первая команда не нужна), а результат сложения будет использован следующей командой (т.е. не нужно его сохранять в памяти).

Приведенные на рис. 5.2 форматы команд весьма схематичны. В действительности в адресных полях находятся не сами адреса, а информация, позволяющая их определить. Способ определения исполнительного адреса А_и (т.е. адреса ячейки памяти, где находится операнд или команда) по адресу в коде команды А_к будем называть способом адресации.

Для указания способа адресации в некоторых системах команд используется специальное поле; это позволяет выполнять одну и ту же команду с любым предусмотренным способом адресации, но значительно увеличивает длину команды.

Дата добавления: 2014-01-05