6_Архитектура младшей модели семейства Intel (В.Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования)

Глава 6. Архитектура младшей модели семейства IntelСейчас мы переходим к изучению архитектуры младшей модели одного из самых распространённых семейств компьютеров. Выбор для изучения именно младшей модели семейства (котораясейчас уже давно устарела и не выпускается) обусловлен, прежде всего, простотой архитектуры этоймодели. В то же время, хорошо изучив архитектуру младшей модели, старшие модели семействаможно затем изучать методом сравнения и противопоставления их с младшей моделью. В этой главенами будут последовательно рассмотрены устройство памяти, форматы обрабатываемых данных иработа центрального процессора этой ЭВМ.6.1. ПамятьРассматриваемый компьютер имеет архитектуру с адресуемыми регистрами, поэтому адресуемая память состоит из основной и регистровой памяти.

В младшей модели семейства основная память имеет объём 220 ячеек по 8 бит каждая, при этом каждая команда или данные располагаются водной или нескольких последовательных (с возрастающими адресами) ячейках этой памяти. Устройство регистровой памяти будет рассмотрена немного позже.6.2. Форматы данныхЗдесь мы рассмотрим большинство форматов данных, для которых в языке машины предусмотрены обрабатывающие их команды.

Все остальные форматы (типы) данных, такие, как, например,записи и множества языка Паскаль, придётся моделировать (отображать их на машинные форматы). Вещественные числаНа современных ЭВМ чаще всего используются три формата вещественных чисел: короткие(длиной 4 байта), длинные (8 байт) и сверхдлинные (16 байт) вещественные числа. Стоит отметитьследующий важный факт.

Заметим, что целые числа в различных ЭВМ по чисто историческим причинам иногда имеют разное внутреннее представление. В то же время на момент массового выпускаЭВМ с командами для работы с вещественными числами, уже существовал международный стандарт на внутреннее представление этих чисел (ANSI/IEEE standart 754-1985), и почти все современные машины придерживаются этого стандарта на представление вещественных чисел. Целые числаЦелые числа в младшей модели могут занимать в памяти 8 бит (короткое целое), 16 бит (длинное целое) и 32 бита (сверхдлинное целое). Длинное целое принято называть машинным словом (непутать с машинным словом в машине Фон Неймана, там это содержимое одной ячейки памяти!).Как видим, в этой архитектуре есть многообразие форматов целых чисел, что, как мы уже говорили, позволяет писать более компактные программы. Для других архитектур это может оказатьсянесущественно, например, в некоторых современных супер-ЭВМ обычно производится работа с малым количеством целых чисел, поэтому вводится только один формат (например, сверхдлинное целое). Символьные данныеВ качестве символов используются короткие целые числа, которые трактуются как неотрицательные (беззнаковые) числа, задающие номер символа в некотором алфавите.1 Заметим, что как таковой символьный тип данных (в смысле языка Паскаль) в машине и языке Ассемблера отсутствует.И пусть Вас не будет вводить в заблуждение запись 'A' в языке Ассемблера, который мы вскорестанем изучать, эта запись обозначает не константу символьного типа данных, а является целочисленной константой и просто эквивалентна выражению Ord('A') языка Паскаль. Массивы (строки)Допускаются только одномерные массивы, которые могут состоять из коротких или длинныхцелых чисел.

Массив коротких целых чисел может рассматриваться программистом как символьнаястрока, отсюда и второе название этой структуры данных. В машинном языке присутствуют ко1В настоящее время существуют алфавиты (например, алфавит Unicode), содержащие большое количество (порядка 32000) символов, для их представления, естественно, используются длинные беззнаковые целыечисла.2манды для обработки элементов таких массивов, если такую команду поставить в цикл, то получается удобное средство для работы с этими массивами. Логические (битовые) вектора.В языке машины представлены команды для обработки логический векторов длиной 8 или 16бит. Элементы таких векторов трактуются как логические переменные.

Эти команды мы будем изучать в разделе 9.1. Двоично-десятичные целые числа.Это целые числа в двоично-десятичной записи, имеющие размер до 16 байт. В настоящее времяиспользуются достаточно редко, в основном, когда надо обрабатывать большие целые числа (длинойдо 31 десятичной цифры). Этот формат данных мы рассматривать не будем.6.3. Вещественные числаВ качестве примера рассмотрим представление короткого вещественного числа для нашего семейства ЭВМ.

Такое число имеет длину 32 бита и содержит три поля:1 битE8 битM23 битаПервое поле из одного бита определяет знак числа, знак "плюс" кодируется нулём, "минус" –единицей. Остальные биты, отведённые под хранение вещественного числа, разбивается на два поля:машинный порядок E и мантиссу M. Мантисса задаёт двоичное число, значение которого по модулю считается меньше единицы, другими словами, это число можно записать как 0.M2. И вот теперькаждое представимое в этом формате вещественное число A (кроме вещественного нуля 0.0) можетбыть записано в виде произведения двух сомножителей: A=1.M*2E–127.

Такое представление вещественного числа называется нормализованным: его первый сомножитель удовлетворяетнеравенству:1.0  1.M < 2.0 1Нормализация необходимо для однозначного представления ненулевого вещественного числа ввиде двух сомножителей. Нулевое же число представляется нулями во всех позициях, за исключением, быть может, первой позиции знака числа (при этом числа -0.0 и +0.0 считаются равными).В качестве примера переведём десятичное число –13.25 во внутреннее машинное представление. Для этого сначала переведём его в двоичную систему счисления:–13.2510 = -1101.012Затем нормализуем это число:-1101.012 = -1.101012*23Следовательно, мантисса нашего числа будет иметь вид 101010000000000000000002 , и осталось вычислить машинный порядок E: 3 = E-127; E = 130 = 128+2 = 1000000102 .

Теперь, учитывая знак, получаем вид внутреннего машинного представления числа –13.2510 (мы запишем его в виде двоичного и, как это часто делается для компактной записи, шестнадцатеричногозначения):1100 0001 0101 0100 0000 0000 0000 00002 = C150000016Шестнадцатеричные числа в языке Ассемблера принято записывать с буквой h на конце, приэтом, если такое число начинается с буквы, то впереди записывается незначащий ноль, чтобы отличить запись такого числа от имени:C150000016 = 0C1500000hТаков формат короткого вещественного числа.

Исходя из этого формата, машинный порядок Eизменяется от 0 до 255, однако, как мы увидим далее, значения машинного порядка 0 и 255 зарезервированы для специальных целей, следовательно, представимый диапазон порядков короткихвещественных чисел равен 2–126..2127  10–38..1038.Как и для целых чисел, машинное представление которых мы рассмотрим чуть позже, числопредставимых вещественных чисел конечно. Действительно, легко понять, что таких чисел не1Мантисса вместе с единичным битом перед точкой имеет в английском языке специальное название significant.3больше, чем 232, а на самом деле, как мы вскоре увидим, даже несколько меньше.

Заметим также,что, в отличие от целых чисел, в представлении вещественных чисел используется симметричнаячисловая ось, то есть для любого положительного числа найдётся соответствующее ему отрицательное число (и наоборот).Отметим, что из-за конечной длины представления вещественных чисел действия с ними выдают приближённый результат. Одним из следствий этого является нарушение при работе с машинными вещественными числами ассоциативного и дистрибутивного законов арифметики. Другими словами, возможны случаи, когда (a+b)+c ≠ a+(b+c) и (a+b)*c ≠ a*c+b*c. Чтобы показать,насколько привычная нам арифметика отличается от машинной (дискретной), рассмотрим решениепростейшего уравнения X+A=A. Естественно, что в обычной математика у такого уравнения для любого значения величины A существует только один корень X=0, однако при решении этой задачи накомпьютере можно получить и ненулевые корни такого уравнения! И не следует думать, что такие"неправильные" корни будут какими-нибудь маленькими числами, скажем 10-6, нет, вполне возможен случай, когда корень такого уравнения X будет равен, скажем, 10+6.Как уже упоминалось выше, некоторые комбинации нулей и единиц в памяти, отведённой подхранения вещественного числа, используются для служебных целей.

В частности, значение машинного порядка E=255 при мантиссе M ≠ 0 обозначает специальное значение "не число" (NAN – nota number). При попытке производить арифметические операции над такими "числами" в арифметико-логическом устройстве возникает аварийная ситуация. Например, значение "не число" можетбыть присвоено программистом вещественной переменной после её порождении, если эта переменная не имеет "настоящего" начального значения (как говорят, не инициализирована). Такой приёмпозволяет избежать тяжёлых семантических ошибок, возникающих при работе с неинициализированными переменными, которые при порождении, могут иметь случайные значения.Отметим ещё одну специальную комбинацию нулей и единиц в представлении вещественныхчисел.