Система команд базовой эвм. Учебные модели компьютера
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное агентство по образованию
Рособразование
Архангельский государственный технический университет
Вычислительных систем и телекоммуникаций
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине
Архитектура ЭВМ и систем
на тему
Система команд ЭВМ
Шевченко Олег Николаевич
Факультет ОНОТ, курс 3, группа 7261
Руководитель О.Л. Полончик
Архангельск 2009 г.
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
- 2. ФОРМАТ КОМАНД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
- 3. МЕТОДЫ ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИИ
- 3.3 Автодекрементный метод
- 3.4 Индексный метод адресации
- 5. МЕТОДЫ КОСВЕННОЙ АДРЕСАЦИИ
- 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЧЕТЧИКА КОМАНД (РС) В КАЧЕСТВЕ РОН
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
С середины 60-х годов кардинально изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие -- архитектура ЭВМ.
Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих типов задач.
Архитектура ЭВМ охватывает обширный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов самыми главными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Команды ЭВМ, предназначенные для обработки данных, помимо кода выполняемой операции должны тем или иным образом указывать местонахождение (адрес) этих данных (операндов) в памяти ЭВМ. В связи с этим большое значение имеют реализованные в конкретной ЭВМ методы адресации операндов, т.е. способы указания в машинной команде местонахождения операндов в памяти ЭВМ.
Способы адресации можно классифицировать на прямые и косвенные. При прямом способе адресации исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения указанного в команде и содержимого какого-либо регистра.
Косвенный способ адресации предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес.
При реализации методов адресации ЭВМ существенным образом используются регистры центрального процессора (РОН). Далее мы будем использовать термин адресный регистр для обозначения любого регистра центрального процессора, содержащего адрес.
2. ФОРМАТ КОМАНД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Форматом команды называется заранее обговоренная структура полей в её кодах, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.
В командах обработки данных может быть указано местонахождение от одного до нескольких операндов, используемых при выполнении конкретной операции. Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на:
- безадресные
- одноадресные, двухадресные и более
При этом обычно различают операнд-источник и операнд-приемник. Операнд - источник это содержимое ячейки памяти или регистра, которое используется при выполнении указанной в команде операции и которое в процессе выполнения команды не изменяется. Операнд-приемник это ячейка памяти или РОН, содержимое которых также может быть использовано при выполнении команды и в которые помещается результат выполненной операции (приемник результата). Ниже в приведенных примерах адресат-источник обозначается буквами src или S (source - источник), а операнд-приемник dst или D (destination - приемник). Поле команды, содержащее код операции, будет обозначаться аббревиатурой КОП.
Формат одноадресных команд (HALT, CLR …) имеет следующий вид:
Рисунок 1 - Формат одноадресных команд
Разряды 15-06 содержат код операции, который определяет выполняемую команду. Разряды 05-00 образуют шестиразрядное поле, именуемое полем адресации операнда приемника, которое в свою очередь состоит из двух подполей:
1) Разряды 02-00 определяют один из восьми РОН, который использует данная команда;
2) Разряды 05-03 определяют способ использования выбранного регистра (метод адресации). Причем, разряд 03 определяет прямую или косвенную адресации.
Операции над двумя операндами (такие, как сложение, пересылка, сравнение) выполняются с помощью команд, в которых задаются два адреса. Задание разрядов в полях адресации операндов источника и приемника определяют используемые методы адресации и регистры общего назначения. Формат двухадресной команды имеет следующий вид:
Рисунок 2 - формат двухадресной команды
Поле адресации операнда источника используется для выборки операнда источника. Поле адресации операнда приемника используется для выборки операнда приемника и занесения результата. Например, по команде ADD A,B содержимое ячейки "A" (операнда источника) складывается с содержимым ячейки "B" (операнд приемника). После выполнения операции сложения в ячейке "В" будет находиться результат операции, а содержимое ячейки "A" не изменится.
3. МЕТОДЫ ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИИ
На рисунке 3 показаны последовательности операций при выполнении команд с каждым из четырех методов прямой адресации. При регистровом методе адресации операнд находится в выбранном регистре, который может быть использован как накопитель. Так как РОН аппаратно реализованы в ИС центрального процессора, они обладают более высоким быстродействием, чем любая другая память, работающая под управлением процессора. Это их преимущество особенно проявляется при операциях с переменными, к которым необходимо часто обращаться.
Рисунок 3 - методы прямой адресации
3.1 Регистровый метод адресации
При регистровом методе адресации операнд находится непосредственно в указанном в команде регистре.
Таблица 1
Регистровый метод адресации
Действие: к содержимому R3 прибавляется единица.
3.2 Автоинкрементный метод адресации
При автоинкрементном методе адресации содержимое выбранного регистра является адресом операнда. После выборки операнда содержимое этого регистра автоматически наращивается для обеспечения возможности обращения в дальнейшем к последующей ячейке. При байтовых операциях наращивание происходит на 1, при операциях с полными словами - на 2. Содержимое R6, R7 всегда наращивается на 2. Автоинкрементный метод адресации особенно удобен при операциях с массивами и стеками. С помощью этого метода можно выбрать элемент таблицы, а затем нарастить указатель для обращения к следующему элементу в таблице. Хотя этот метод наиболее удобен при работе с таблицами, он может быть использован как общий метод для различных целей.
Таблица 2
Автоинкрементный метод адресации
3.3 Автодекрементный метод
Также используется для обработки табулированных данных. Однако в отличие от автоинкрементного метода, адресация к ячейкам массива идет в противоположном направлении. При этом методе адресации содержимое выбранного РОН вначале уменьшается (для байтовых команд - на единицу, для команд с полными словами - на два), а затем используется как исполнительный адрес.
Сочетание автоинкрементного и автодекрементного методов адресации может быть эффективно использовано при работе со стеком.
Таблица 3
Автодекрементный метод адресации
Действие: содержимое R0 уменьшается на 2 и используется как исполнительный адрес. К операнду, выбранному из ячейки по этому адресу, прибавляется единица.
архитектура аппаратный команда адресация
Таблица 3.1
Автодекрементный метод адресации
3.4 Индексный метод адресации
При индексном методе адресации исполнительный адрес определяется как сумма содержимого выбранного РОН с индексным словом. Этот метод позволяет осуществлять произвольный доступ к элементам структуры данных. Индексное слово содержится в следующей за командным словом ячейке памяти. При индексном методе адресации содержимое выбранного регистра может быть использовано в качестве базы для вычисления серии адресов.
Таблица 4
Индексный метод адресации
5. МЕТОДЫ КОСВЕННОЙ АДРЕСАЦИИ
Четыре основных метода могут быть использованы в комбинации с косвенной адресацией. Если при регистровом методе содержимое выбранного регистра является операндом, то при косвенно - регистровом методе это содержимое является адресом операнда. При трех других косвенных методах вычисленный адрес позволяет выбрать только адрес операнда, а не сам операнд. Эти методы используются при обращении к таблицам, состоящим из адресов, а не из операндов.
Рисунок 4 - методы косвенной адресации
Таблица 5
Индексный метод адресации
Действие: содержимое ячейки, адрес которой находится в R2, используется как адрес операнда, операнд увеличивается на единицу, а содержимое R2 - на 2.
Таблица 5.1
Индексный метод адресации
6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЧЕТЧИКА КОМАНД (РС) В КАЧЕСТВЕ РОН
Счетчик команд R7 может быть использован со всеми методами адресации, применяемыми в микро-ЭВМ. Однако наиболее эффективно он используется только с четырьмя. Эти методы адресации получили специальные наименования: непосредственный, абсолютный, относительный и косвенно - относительный. Использование этих методов дает возможность построения программ, работоспособность которых не теряется при перемещении их в любую область памяти. В таблице ниже приведены методы адресации с использованием R7. Необходимо понимать, что эти четыре метода аналогичны описанным выше, но в качестве РОН используется R7. Методы адресации с использованием счетчика команд в значительной мере упрощают обработку данных, не сформированных в массивы.
Таблица 6
Методы адресации
|
Восьмеричный код |
Двоичный код |
Название |
||
|
Непосредственный |
Операнд выбирается из ячейки, следующей за командным словом. |
|||
|
Абсолютный |
Из ячейки, следующей за командным словом, выбирается адрес операнда. |
|||
|
Относительный |
Операнд выбирается из ячейки, адрес которой определяется как сумма содержимого R7 и ячейки, следующей за командным словом. |
|||
|
Косвенно-относительный |
Из ячейки, адрес которой определяется как сумма содержимого R7 и ячейки, следующей за командным словом, выбирается адрес операнда. |
6.1
Непосредственный метод адресации имеет символическое обозначение #N. Он эквивалентен автоинкрементному методу адресации через счетчик команд R7. Этот метод обеспечивает экономию времени программиста при составлении программы за счет возможности помещения константы в ячейку памяти вслед за командным словом.
Таблица 7
Непосредственный метод адресации
Действие: содержимое R0 складывается с числом 10. Результат записывается в R0.
Таблица 7.1
Непосредственный метод адресации
После выборки команды содержимое R7 (адрес этой команды) увеличивается на 2. Так в поле адреса операнда источника записан код 27, R7 используется как указатель адреса при выборке операнда, после чего содержимое его вновь увеличивается на 2 для указания на следующую команду.
6.2 Абсолютный метод адресации
Абсолютный метод адресации имеет символическое обозначение @#A. Он эквивалентен косвенно-автоинкрементной адресации через R7. Этот метод удобен тем, что адрес операнда является его абсолютным адресом (т.е. он остается постоянным независимо от места расположения программы в памяти).
Таблица 8
Абсолютный метод адресации
6.3 Относительный метод адресации
Относительный метод адресации имеет символическое обозначение X(PC) или А, где X-исполнительный адрес по отношению к счетчику команд. Этот метод эквивалентен индексной адресации через R7. Индексное слово хранится в следующей за командным словом ячейке и, будучи сложенным с содержимым R7, дает адрес операнда. Этот метод полезен при написании программы, которая может располагаться в различных местах памяти, так как адрес операнда фиксируется по отношению к содержимому R7. При необходимости перемещения программы в памяти операнд перемещается на то же число ячеек, что и сама команда.
Таблица 9
Относительный метод адресации
Действие: к операнду, адрес которого определяется сложением содержимого R7 и индексного слова (000054), прибавляется "1".
Таблица 9.1
Относительный метод адресации
6.4 Косвенно-относительный метод адресации
Косвенно-относительный метод адресации имеет символическое обозначение @X(PC) или @A, где X-адрес ячейки, содержащей исполнительный адрес, по отношению к счетчику команд. Этот метод эквивалентен косвенно - индексной адресации через СК.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.
Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и т. д. Важно несколько другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативные решения реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое действие они оказывают на общие характеристики компьютера. Другими словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Таненбаум, Эндрю. Архитектура компьютера, Питер, 2007.
2. А.С. Коваль, А.В. Сычев. Архитектура ЭВМ и систем, Воронеж 2007
3. Френк Т.С. PDP-11: Архитектура и программирование, Радио и связь, 1986.
4. Википедия - http://ru.wikipedia.org
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Изучение базовых команд ПК на базе МП i286 и их форматов. Изучение прямых способов адресации данных. Наработка практических навыков работы с командами. Разработка регистровой модели выполнения операций передачи данных. Программа реализации команд.
контрольная работа , добавлен 12.03.2011
Типы системной памяти. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), "энергонезависимая память" (CMOS). Процессор. Основные шины. Адресные данные. Совокупность всех возможных команд - система команд процессора.
контрольная работа , добавлен 30.03.2009
Внутренняя архитектура микропроцессора Intel 486. Формат данных и команд. Регистры общего назначения. Программная модель устройства FPU, регистр флагов. Разработка структуры и микропрограммы микропроцессора, управляющего автомата с жесткой логикой.
курсовая работа , добавлен 27.05.2013
Краткий обзор процессоров фирмы intel. Основные характеристики i80286: режим реальной адресации, режим защиты, сопроцессор i80287, условия программирования i80287. Основные характеристики i80386: 32-битная архитектура, способы адресации.
курсовая работа , добавлен 23.06.2007
Изучение архитектуры персонального компьютера на примере микропроцессора фирмы Intel. Регистры общего назначения. Оперативная память; форматы данных и команд. Команд пересылки с различными способами адресации операндов. Структура программы на Ассемблере.
курс лекций , добавлен 03.05.2014
Моделирование заданных команд, внутренних функциональных устройств и объектов ввода-вывода микроконтроллера. Разработка программа для демонстрации совместной работы микроконтроллера и моделируемого внешнего устройства. Компоненты архитектуры ATMega128.
курсовая работа , добавлен 12.06.2013
Типы команд, синтаксис ассемблера и код операции, по которому транслируется команда. Команды вычисления и непосредственной пересылки данных между регистрами. Поле для определения операции вычисления. Управление последовательностью выполнения программы.
реферат , добавлен 13.11.2009
Синтез структуры простого магистрального процессора с одним АЛУ, выполняющего 8 заданных команд. Разработка формата и кодировки команд, структурной схемы процессора, функциональные схемы всех его блоков в целом с указанием шин и управляющих сигналов.
реферат , добавлен 18.05.2009
Информационная система (ИС) как совокупность взаимосвязанных аппаратно-программных средств, предназначенных для автоматизации накопления и обработки информации. Особенности создания ИС "Агентство недвижимости": база данных, техническая документация к ней.
курсовая работа , добавлен 30.08.2012
Мобильные роботы и комплексы на их основе. Аналитический обзор программных средств по созданию базы данных и интерфейсов пользователей. Open Interface и классификация команд. Разработка аппаратного комплекса для формирования управляющих программ робота.
Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд, поэтому далее рассмотрим этот вопрос.
Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага.
В коде команды выделяются определенные разряды (поля) для размещения сведений:
О типе операции,
Адресов ячеек оперативной памяти, в которых хранятся обрабатываемые данные,
Адреса ячеек памяти, куда будет записываться результат выполнения операции.
Заранее обговоренная структура полей, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода команды называется Форматом команды .
Примеры форматов команд приведены на рисунке 5.
Рисунок 5
Главным элементом кода команды является код операции (КОП), что определяет, какие действия будут выполнены по данной команде. Под него выделяется N старших разрядов формата.
В остальных разрядах размещаются А1 и А2 - адреса операндов, А3 - адрес результата.
Распределение полей в формате команды может изменяться при смене способа адресации.
Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на безадресные; одно-, двух-, трехадресные.
Вспомним, что в коде команды содержится информация о данных, над которым нужно совершить некоторую операцию. Эти данные называют операндами. Обычно операнды содержатся в оперативной или регистровой памяти ЭВМ. Способ поиска операндов в памяти также определяет формат команды.
Существуют 2 различных принципа поисков операндов в памяти: ассоциативный и адресный:
- Ассоциативный поиск (поиск по содержанию запоминающей ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кода, содержащего заданный командой ассоциативный признак.
- Адресный поиск предполагает, что операнд находится по адресу, указанному в адресном поле команд.
Различают исполнительный адрес операнда и адресный код команды.
Исполнительным адресом операнда называется двоичный код номера ячейки памяти, по которому будет записан или считан операнд.
Адресным кодом команды называется двоичный код в адресном поле команды, с помощью которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда. В ЭВМ адресный код и исполнительный адрес не совпадают, поэтому способ адресации можно определить, как способ формирования исполнительного адреса по адресному коду команды.
Эти понятия в дальнейшем будем использовать в описании способов адресации к операндам.
Способы адресации к операндам в зависимости от типа поиска операндов в памяти классифицируют:
1) по наличию адресной информации в команде на:
- явную адресацию. При таком способев коде команде есть поле адреса операнда;
- неявнуюадресацию. При таком способе адресное поле в команде отсутствует, а адрес операнда подразумевается кодом операции. Например, из команды может быть исключен адрес приемника адресата, при этом подразумевается, что результат записывается на месте второго операнда.
2) по кратности обращения в оперативную память:
- непосредственную адресацию (direct addressing). При непосредственной адресации операнд располагается непосредственно в адресном поле команды (рисунок 6).
Рисунок 6
- прямую адресацию (immediate addressing). При прямой адресации обращение за операндом производится по адресному коду в поле команды. При этом исполнительный адрес совпадает с адресом кода команды. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 7).
Рисунок 7
- косвенную адресацию (indirect addressing). При косвенной адресации код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится не сам операнд, а его адрес, называемый указателем. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 8).
Рисунок 7
3) по способу формирования адресов ячеек памяти:
- Абсолютная адресация предполагают, что двоичный код адреса ячейки памяти может быть целиком извлечен либо из адресного поля команды, либо из какой-нибудь другой ячейки в случае косвенной адресации.
- Относительная адресация предполагают, что двоичный код операнда образуется из нескольких составляющих:
Б - код базы;
И - код индекса;
С - код смещения.
Эти составляющие используются в различных сочетаниях.
Виды относительной адресации:
Рисунок 9
Для формирования адреса операнда используется регистровая память.
Адрес i -операнда в массиве определяется как сумма начального адреса массива операнда, задаваемого смещением S, и индекса i , записанного в одном из регистров регистровой памяти, называемым индексным регистром.
Адрес индексного регистра задается в команде полем адреса индекса Аи.
В каждом i-том цикле содержимое индексного регистра изменяется на постоянную величину, как правило, это 1.
Для работы программ с массивами, требующими однотипных операций над элементами массива, удобно использовать такой тип адресации
2) Автоиндексная адресация. При автоиндексации косвенный адрес, находящийся в регистре РП, автоматически увеличивается (автоинкрементная адресация), или уменьшается (автодекрементная адресация) на постоянную величину до или после выполнения операции.
3) Стековая адресация . Стековая память широко используется в современных ЭВМ. Хотя адрес обращения в стек отсутствует в команде, он формируется схемой управления (рисунок 9):
Рисунок 9
Для чтения записи доступен только один регистр - вершина стека.
Этот способ адресации используется, в частности, системой прерывания программ при вызовах подпрограмм.
Стековая память реализуется на основе обычной памяти с использованием указателя стека и автоиндексной адресации. Логически ячейки памяти, отводимые под стек, организованы так, чтобы считывание последнего записанного адреса производилось первым, а первого записанного адреса производилось последним. Такая логическая организация формируется специальным счётчиком. Этот счётчик называется указателем стека SP – это регистр микропроцессора. Ячейка памяти, в которую в данный момент может быть записан, например адрес возврата из подпрограммы, называется вершиной стека . Количество ячеек памяти, предназначенных для организации стека, называется глубиной стека . Последняя ячейка памяти, в которую можно производить запись называется дном стека . Запись в стек производится с использованием автодекрементной адресации, а чтение - с использованием автоинкрементной адресации (рисунок 10).
Рисунок 10
Пример. Вызов подпрограммы, написанной на языке С.
В языке С подпрограммы называются функциями. Функция может иметь аргументы и локальные переменные, т. е. переменные, существующие только в процессе выполнения функции. Предположим, функция зависит от двух входных аргументов х и у целого типа и использует три локальные переменные а, b и с также целого типа. Функция возвращает целое значение.
Подпрограмма:
Основная программа:
Например, в определённом месте программы вызывается функция f с аргументами х = 2, у = 3. Вызывающая программа помещает фактические значения аргументов х и у функции f в стек, при этом наверху стека лежит первый аргумент функции, под ним - второй аргумент. При выполнении инструкции вызова функции вверх стека помещается также адрес возврата. В начале работы функции f стек имеет следующий вид:
Перед выполнением функция f должна захватить в стеке область памяти под свои локальные переменные а, b, с.
Множество реализуемых машинных действий образует её систему команд .
Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком (“машинном”) уровне они имеют много общего.
Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:
1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.
Обмен между регистрами процессора,
Процессора и оперативной памятью,
Процессора и периферийными установками.
2. Арифметические операции. К основным арифметическим операциям обычно относятся сложение и вычитание (последняя чаще всего сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным алгоритмам.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Например, операции сравнение или известные логические операции И, ИЛИ, НЕ. Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).
5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.
6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего относят условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят немногочисленные операции по управлению процессором – типа «останов» или НОП («нет операции»). Иногда их выделяют в особую группу.
Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором – RISC (Reduced Instruction Set Computer). Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически. Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации “отброшенных” команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования.
Функциональная и структурная организация ЭВМ.
Триггеры
Это элемент памяти. Устройство способное запоминать, хранить и т.п. информацию.
RS триггеры состоят из двух вентилей, один вентиль это или не , второй и не.
RS триггер запоминает на какое его вход подавался сигнал равный единице в последний раз. Если сигнал подавался на S вход, тогда триггер хранит еденицу. Если сигнал подавался на R вход, тогда триггер хранит нуль.
0 1 1 - устанавл. 1
1 0 0 - устанавл 0
1 1 - недопускается
Соединив сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматоры для двоичных чисел с любым количеством разрядов.
Сумматоры и полусумматоры это однотактные логические схемы. Триггеры –многотактовые.
Регистры – предназначены для записи, хранения и преобразования записанных в них чисел.В качестве элементарной ячейке регистра используется триггер.
Счётчик – узел предназначенный для полсчёта числа сигналов на входе, и фиксации результатов в двоичном коде.
Это абстрактная модель описывающая возможности ЭВМ. Она определяется типом решаемых задач и потребностями в ресурсах и типами задач (память, хар-ки процессора).
Структурная организация ЭВМ – это физиуеская модель, устанавливающая порядок и взаимоствязи компонентов и блоков.
Командой называется совокупность информации, в виде двоичного кода, занимающие определенные поля необходимые процессору, для выполнения требуемых действий.
Формат команды обговорённая структура её полей, кода, включает код операции и адреса операндов, и адрес результата.
| Коп | А1 | А3 | Коп | А1 | А2 | А3 |
Коп. ß--- а3---à
Способы адресации: адресный и ассоциативный(поиск по содержанию).Ассоциативный – просмотр всех ячеек для выявлении кодов содержащие команду.
Адресный поиск– информация, извлекается из памяти по номеру содержащемуся в адресной ячейке. По виду бывает явной и неявной. Явная – ячейки адресного кода не содержит. Неявная адресация используется при стековой адресации.
Стек пуст запись запись чтение В чтение А стек пуст
Стек – группа последовательных ячеек памяти или регистров. Адрес обращения стека отсутствует, и формируется схема управления по следующему правилу. Для чтения или записи доступен только один регистр, одна ячейка - вершина стека. Последний записанный регистр будет считаться первым.
Автоиндексная адресация – применяется в современных компьютерах. Содержимое регистровой памяти или увеличивается или уменьшается, до или после выполнения операции, на постоянно определённую, заданную величину. Этот вид используется при обработки больших массивов данных.
Принцип академика Глушкова.
Универсальное устройство в обработки информации (1956 год). Состоит из регистров, сумматоров и других узлов, позволяющих принимать хранить и преобразовывать информацию. Процесс функционирования во времени устройства обработки информации состоит из последовательности тактовых интервалов, в которых операционный блок производит определённые операции, выполнение этих операций происходит по управляющим сигналам.
Микропрограмма – последовательность микрокоманд, обеспечивающие выполнение операции.
Микрокоманда – последовательность управляющих сигналов.
Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком ("машинном") уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.
1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.
2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно для вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиямлбычно относятся сложение и вычитание (последнее в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать отображаемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).
5. Команды ввода и вывода информации для обмена со внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.
6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов.
Ч асто к этой же группе команд относят немногочисленные операции по управлению процессором - типа "останов" или НОП ("нет операции"). Иногда их выделяют в особую группу.
С ростом сложности устройства процессора увеличивается и число команд, анализирующих состояние управляющих битов и воздействующих на них. Здесь для примера можно назвать биты режима работы процессора и биты управления механизмами прерываний от внешних устройств.
В последнее время все большую роль в наборе команд играют команды для преобразования из одного формата данных в другой (например, из 8-битного в 16-битный и т.п.), которые заметно упрощают обработку данных разного типа, но в принципе могут быть заменены последовательностью из нескольких более простых команд. Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд - CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором - RISC (Reduced Instruction Set Computer). Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически (в одной из популярных статей это в шутку сформулировано в виде следующей наглядной аналогии: "20% населения выпивают 80% пива). Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации "отброшенных" команд, но часто это бывает приемлемо: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования. Подробнее вопросы, связанные с системой команд современных микропроцессоров будут рассмотрены ниже в этой главе.
П одводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команд довольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения.
^2.8 Типы и форматы команд
Несмотря на различие в системах команд разных ЭВМ, некоторые основные типы операций могут быть найдены в любой из них. Для описания этих типов примем следующую классификацию:
команды пересылки данных;
команды арифметической и логической обработки;
команды работы со строками;
команды SIMD;
команды преобразования;
команды ввода/вывода;
команды управления потоком команд.
2.8.1 Команды пересылки данных
Это наиболее распространенный тип машинных команд. В таких командах должна содержаться следующая информация:
адреса источника и получателя операндов – адреса ячеек памяти, номера регистров процессора или информация о том, что операнды расположены в стеке;
длина подлежащих пересылке данных (обычно в байтах или словах), заданная явно или косвенно;
способ адресации каждого из операндов, с помощью которого содержимое адресной части команды может быть пересчитано в физический адрес операнда.
^
2.8.2 Команды арифметической и логической обработки
В данную группу входят команды, обеспечивающие арифметическую и логическую обработку информации в различных формах ее представления. Для каждой формы представления чисел в АСК обычно предусматривается некий стандартный набор операций.
Помимо вычисления результата выполнение арифметических и логических операций сопровождается формированием в АЛУ признаков (флагов), характеризующих этот результат. Наиболее часто фиксируются такие признаки, как:
Z (Zero) - нулевой результат;
N (Negative) - отрицательный результат;
V (oVerflow) - переполнение разрядной сетки;
С (Carry) - наличие переноса.
двухместные арифметические операции (операции с двумя операндами): сложение, вычитание, умножение и деление;
одноместные арифметические операции (операции с одним операндом): вычисление абсолютного значения (модуля) операнда, изменение знака операнда;
операции сравнения, обеспечивающие сравнение двух целых чисел и выработку признаков, характеризующих соотношение между сопоставляемыми величинами (=, <>, >, <, <=, >=).
Отметим, что выполнение арифметических команд может дополнительно сопровождаться перемещением данных из устройства ввода в АЛУ или из АЛУ на устройство вывода.
Для работы с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в АСК большинства машин предусмотрены:
основные арифметические операции;
операции сравнения, обеспечивающие сравнение двух вещественных чисел с выработкой признаков;
операции преобразования: формы представления (между фиксированной и плавающей запятой), формата представления (с одинарной и двойной точностью).
В дополнение к побитовым логическим операциям, практически во всех АСК предусмотрены команды для реализации операций логического, арифметического и циклического сдвигов.
При логическом сдвиге влево или вправо сдвигаются все разряды слова. Биты, вышедшие за пределы разрядной сетки, теряются, а освободившиеся позиции заполняются нулями.
При арифметическом сдвиге данные трактуются как целые числа со знаком, причем бит знака не изменяет положения. При сдвиге вправо освободившиеся позиции заполняются значением знакового разряда, а при сдвиге влево - нулями. Арифметические сдвиги позволяют ускорить выполнение некоторых арифметических операций. Так, если числа представлены двоичным дополнительным кодом, то сдвиги влево и вправо эквивалентны соответственно умножению и делению на 2.
При циклическом сдвиге смещаются все разряды слова, причем значение разряда, выходящего за пределы слова, заносится в позицию, освободившуюся с противоположной стороны, то есть потери информации не происходит. Одно из возможных применений циклических сдвигов – это перемещение интересующего бита в крайнюю левую (знаковую) позицию, где он может быть проанализирован как знак числа.
Для работы со строками в АСК обычно предусматриваются команды, обеспечивающие перемещение, сравнение и поиск строк. В большинстве машин перечисленные операции просто имитируются за счет других команд.
^ Команды преобразования осуществляют изменение формата представления данных. Примером может служить преобразование из десятичной системы счисления в двоичную или перевод 8-разрядного кода символа из кодировки ASCII в кодировку EBCDIC, и наоборот.
2.8.3 SIMD-команды
Название данного типа команд представляет собой аббревиатуру от Single Instruction Multiple Data - буквально «одна инструкция - много данных». В отличие от обычных команд, оперирующих двумя числами, SIMD-команды обрабатывают сразу две группы чисел (в принципе их можно называть групповыми командами). Операнды таких команд обычно представлены в одном из упакованных форматов.Идея SIMD-обработки была выдвинута в Институте точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева в 1978 году в рамках проекта «Эльбрус-1». С 1992 года команды типа SIMD становятся неотъемлемым элементом АСК микропроцессоров фирм Intel и AMD, Поводом послужило широкое распространение мультимедийных приложений. Видео, трехмерная графика и звук в ЭВМ представляются большими массивами данных, элементы которых чаше всего обрабатываются идентично. Так, при сжатии видео и преобразовании его в формат MPEG один и тот же алгоритм применяется к тысячам битов данных. В трехмерной графике часто встречаются операции, которые можно выполнить за один такт: интерполирование и нормировка векторов, вычисление скалярного произведения векторов, интерполяция компонентов цвета и т. д. Включение SIMD-команд в АСК позволяет существенно ускорить подобные вычисления.
Первой на мультимедийный бум отреагировала фирма Intel, добавив в систему команд своего микропроцессора Pentium ММХ 57 SIMD-команд. Название МMX (MultiMedia eXtention – мультимедийное расширение) разработчики обосновывали тем, что при выборе состава новых команд были проанализированы алгоритмы, применяемые в различных мультимедийных приложениях. Команды ММХ обеспечивали параллельную обработку упакованных целых чисел. При выполнении арифметических операций каждое из чисел, входящих в группу, рассматривается как самостоятельное, без связи с соседними числами. Учитывая специфику обрабатываемой информации, команды ММХ реализуют так называемую арифметику с насыщением: если в результате сложения образуется число, выходящее за пределы отведенных под него позиций, оно заменяется наибольшим двоичным числом, которое в эти позиции вмещается.
Следующим шагом стало создание новых наборов SIMD-команд, работающих также с операндами, представленными в виде упакованных чисел с плавающей запятой. Такие команды в соответствующих приложениях повышают производительность процессора примерно вдвое. Первой подобную технологию в середине 1998 года предложила фирма AMD. Это мультимедийное расширение включало в себя 21 SIMD-команду и получило название 3DNow!. Расширение 3DNow! в дополнение к SIMD-обработке целочисленной информации типа ММХ позволяло оперировать парой упакованных чисел в формате с плавающей запятой.
Полугодом позже фирма Intel ввела в свои микропроцессоры так называемые потоковые SIMD-команды, обозначив их аббревиатурой SSE - Streaming SIMD Extension (потоковая обработка по принципу «одна команда - много данных»). Сначала это были 70 команд в микропроцессоре Pentium III. Команды дополняли групповые целочисленные операции МMX и расширяли их за счет групповых операций с 32-разрядными вещественными числами.
^
2.8.4 Команды ввода/вывода
Команды этой группы могут быть подразделены на команды управления периферийным устройством (ПУ), проверки его состояния, ввода и вывода.
Команды управления периферийным устройством служат для запуска ПУ и указания ему требуемого действия. Трактовка подобных инструкций зависит от типа ПУ.
Команды проверки состояния ввода/вывода применяются для тестирования различных признаков, характеризующих состояние модуля ввода/вывода и подключенных к нему ПУ. Благодаря этим командам центральный процессор может выяснить, включено ли питание ПУ, завершена ли предыдущая операция ввода/вывода, возникли ли в процессе ввода/вывода какие-либо ошибки и т. п.
Собственно обмен информацией с ПУ обеспечивают команды ввода и вывода. Команды ввода
предписывают модулю ввода/вывода получить элемент данных (байт или слово) от ПУ и поместить его на шину данных, а команды вывода -
заставляют модуль ввода/вывода принять элемент данных с шины данных и переслать его на ПУ.
^
2.8.5 Команды управления системой
Команды, входящие в эту группу, являются привилегированными и могут выполняться, только когда центральный процессор ЭВМ находится в привилегированном состоянии или выполняет программу, находящуюся в привилегированной области памяти (обычно привилегированный режим используется лишь операционной системой). Так, лишь эти команды способны считывать и изменять состояние ряда регистров устройства управления.
^
2.8.6 Команды управления потоком команд
Концепция фон-неймановской вычислительной машины предполагает, что команды программы, как правило, выполняются в порядке их расположения в памяти. Для получения адреса очередной команды достаточно увеличить содержимое счетчика команд на длину текущей команды. В то же время основные преимущества ЭВМ заключаются именно в возможности изменения хода вычислении в зависимости от возникающих в процессе счета результатов. С этой целью в АСК вычислительной машины включаются команды, позволяющие нарушить естественный порядок следования и передать управление в иную точку программы. В адресной части таких команд содержится адрес точки перехода (адрес той команды, которая должна быть выполнена следующей). Переход реализуется путем загрузки адреса точки перехода в счетчик команд (вместо увеличения содержимого этого счетчика на длину команды).
В системе команд ЭВМ можно выделить три типа команд, способных изменить последовательность вычислений:
безусловные переходы;
условные переходы (ветвления);
вызовы процедур и возвраты из процедур.
^ Условный переход происходит только при соблюдении определенного условия, в противном случае выполняется следующая по порядку команда программы. Большинство производителей ЭВМ в своих ассемблерах обозначают подобные команды словом branch (ветвление). Условием, на основании которого осуществляется переход, чаще всего выступают признаки результата предшествующей арифметической или логической операции. Каждый из признаков фиксируется в своем разряде регистра флагов процессора. Возможен и иной подход, когда решение о переходе принимается в зависимости от состояния одного из регистров общего назначения, куда предварительно помещается результат операции сравнения. Третий вариант - это объединение операций сравнения и перехода в одной команде.
В системе команд ЭВМ для каждого признака результата предусматривается своя команда ветвления (иногда - две: переход при наличии признака и переход при его отсутствии). Большая часть условных переходов связана с проверкой взаимного соотношения двух величин или с равенством (неравенством) некоторой величины нулю. Последний вид проверок используется в программах наиболее интенсивно.
Процедурный механизм базируется на командах вызова процедуры,
обеспечивающих переход из текущей точки программы к начальной команде процедуры, и командах возврата из процедуры,
для возврата в точку, непосредственно расположенную за командой вызова. Такой режим предполагает наличие средств для сохранения текущего состояния содержимого счетчика команд в момент вызова (запоминание адреса точки возврата) и его восстановления при выходе из процедуры,
^
2.8.7 Форматы команд
Типовая команда, в общем случае, должка указывать:
подлежащую выполнению операцию;
адреса исходных данных (операндов), над которыми выполняется операция;
адрес, по которому должен быть помещен результат операции.
Рисунок 2.24 – Структура машинной команды
Формат команды
определяет ее структуру, то есть количество двоичных разрядов, отводимых под всю команду, а также количество н расположение отдельных полей команды. Полем
называется совокупность двоичных разрядов, кодирующих составную часть команды. При разработке АСК выбор формата команды влияет на многие характеристики будущей машины. Оценивая возможные форматы, нужно учитывать следующие факторы:
общее число различных команд;
общую длину команды;
тип полей команды (фиксированной или переменной длины) и их длина;
простоту декодирования;
адресуемость и способы адресации;
стоимость оборудования для декодирования и исполнения команд.
В рамках системы команд одной ЭВМ могут использоваться разные форматы команд. Обычно это связано с применением различных способов адресации. В таком случае операционная часть команды содержит поле кода операции (КОп) и поле для задания способа адресации (СА).
Общая длина команды R K может быть определена следующим соотношением:
,
где l – количество адресов в команде; R Ai – количество разрядов для записи i -го адреса; R КОп – разрядность поля кода операции; R СА – разрядность поля способа адресации.
Количество двоичных разрядов, отводимых под код операции
, выбирается так, чтобы можно было представить любую из операций. Если система команд предполагает N
КОп
различных операций, то минимальная разрядность поля кода операции определяется следующим образом:
R
КОп
= int(log 2 (N
КОп
)),
где int означает округление в большую сторону до целого числа.
При заданной длине кода команды приходится искать компромисс между разрядностью поля кода операции и адресного поля. Большее количество возможных операций предполагает длинное поле кода операции, что ведет к сокращению адресного поля, то есть к сужению адресного пространства. Для устранения этого противоречия иногда длину поля кода операции варьируют. Изначально под код операции отводится некое фиксированное число разрядов, однако для отдельных команд это поле расширяется за счет нескольких битов, отнимаемых у адресного поля.
В адресной части команды содержится информация о местонахождении исходных данных и месте сохранения результата операции. Обычно местонахождение каждого из операндов и результата задается в команде путем указания адреса соответствующей ячейки основной памяти или номера регистра процессора. Принципы использования информации из адресной части команды определяет система адресации. Система адресации задает число адресов в команде команды и принятые способы адресации
Разрядности полей и рассчитываются по формулам:
R
Ai
= int(log 2 (N
i
)), R
CA
= int(log 2 (N
CA
)),
где N
i
, – количество ячеек памяти, к которому можно обратиться с помощью i
-ro адреса; N
СА
– количество способов адресации.
Для определения количества адресов , включаемых в адресную часть, будем использовать термин адресность. В «максимальном» варианте необходимо указать три компонента: адрес первого операнда, адрес второго операнда и адрес ячейки, куда заносится результат операции. В принципе может быть добавлен еще один адрес, указывающий место хранения следующей инструкции. В итоге имеет место четырехадресный формат команды . Такой формат представлен на рисунке 2.25.
Чаще всего необходимость в четвертом адресе отпадает, поскольку команды располагаются в памяти в порядке их выполнения, и адрес очередной команды может быть получен за счет простого увеличения адреса текущей команды в счетчике команд. Это позволяет перейти к трехадресному формату команды. Требуется только добавить в систему команд ЭВМ команды, способные изменять порядок вычислений.
К сожалению, и в трехадресном формате длина команды может оказаться весьма большой. Так, если адрес ячейки основной памяти имеет длину 32 бита, а длина кода операции – 8 бит, то
длина команды составит 104 бита (13 байт).
Рисунок 2.25 – Четырехадресный формат команды
Если по умолчанию взять в качестве адреса результата адрес одного из операндов (обычно второго), то можно обойтись без третьего адреса, и в итоге получаем двухадресный
формат команды. Естественно, что в этом случае соответствующий операнд после выполнения операции теряется.
Команду можно еще более сократить, перейдя к одноадресному формату, что возможно при выделении определенного стандартного места для хранения первого операнда и результата. Обычно для этой цели используется специальный регистр-аккумулятор центрального процессора (ЦП).
Применение единственного регистра для хранения одного из операндов и результата является ограничивающим фактором, поэтому помимо аккумулятора часто используют и другие регистры ЦП. Так как число регистров к ЦП невелико, для указания одного из них в команде достаточно иметь сравнительно короткое адресное поле. Соответствующий формат носит название полутораадресного или регистрового формата.
Наконец, если для обоих операндов указать четко заданное местоположение, а также в случае команд, не требующих операнда, можно получить нульадресный формат команды. В таком варианте адресная часть команды вообще отсутствует или не задействуется
При выборе количества адресов в адресной части команды обычно руководствуются следующими критериями:
емкостью запоминающего устройства, требуемой для хранения программы;
временем выполнения программы;
эффективностью использования ячеек памяти при хранении программы.
выборки команды;
выборки первого операнда;
выборки второго операнда;
выборки команды;
выборки операнда.
