Тема 5_2010__Процессоры (542582), страница 3
Текст из файла (страница 3)
д.Операции сОперации сложения, вычитания, умножения иплавающей точкойделения над вещественными числамиДесятичныеДесятичное сложение, умножение, преобразованиеоперацииформатов и т. д.Операции надПересылки, сравнения и поиск строкстрокамиТип операнда может задаваться либо кодом операции в команде, либо спомощью тега, который хранится вместе с данными и интерпретируетсяаппаратурой во время обработки данных.Обычно тип операнда (целый, вещественный, символ) определяет и егоразмер. Как правило, целые числа представляются в дополнительном коде. Длязадания символов компания IBM использует код EBCDIC, другие компанииприменяют код ASCII. Для представления вещественных чисел с одинарной идвойной точностью придерживаются стандарта IEEE 754.В ряде процессоров применяют двоично - кодированные десятичные числа,которые представляют в упакованном и неупакованном форматах.
Упакованныйформат предполагает, что для кодирования цифр 0 – 9 используют 4 разряда и дведесятичные цифры упаковываются в каждый байт. В неупакованном форматебайт содержит одну десятичную цифру, которая обычно изображается всимвольном коде ASCII.3.5.
Компьютеры со стековой архитектуройПри создании компьютера одновременно проектируют и систему команд(СК) для него. Существенное влияние на выбор операций для их включения в СКоказывают:• элементная база и технологический уровень производствакомпьютеров;• класс решаемых задач, определяющий необходимый набор операций,воплощаемых в отдельные команды;• системы команд для компьютеров аналогичного класса;• требования к быстродействию обработки данных, что может породитьсоздание команд с большой длиной слова (VLIW-команды).Анализ задач показывает, что в смесях программ доминирующую рольиграют команды пересылки и процессорные команды, использующие регистры ипростые режимы адресации.На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующиеструктуры команд: одноадресные (1A), двухадресные (2A), трехадресные (3A),безадресные (БА), команды с большой длиной слова (VLIW – БДС) (рис.
3.1):1А ∼КОПА12А ∼КОПА1А23А ∼КОПА1А2БА ∼КОПА3КОПБДС ∼АдресаТегиДескрипторыРис. 3.1. Структуры командПричем операнд может указываться как адресом, так и непосредственно вструктуре команды.В случае БА-команд операнды выбираются и результаты помещаются в стек(магазин, гнездо). Типичными первыми представителями БА-компьютеровявляются KDF-9 и МВК "Эльбрус". Их характерной особенностью являетсяналичие стековой памяти.Стек – это область оперативной памяти, которая используется длявременного хранения данных и операций. Доступ к элементам стекаосуществляется по принципу FILO (first in, last out) – первым вошел, последнимвышел.
Кроме того, доступ к элементам стека осуществляется только через еговершину, т. е. пользователю "виден" лишь тот элемент, который помещен в стекпоследним.Рассмотрим функционирование процессора со стековой организациейпамяти.При выполнении различных вычислительных процедур процессориспользует либо новые операнды, до сих пор не выбиравшиеся из памятикомпьютера, либо операнды, употреблявшиеся в предыдущих операциях. Впроцессорах с классической структурой обращение к любому операнду (1A-ЭВМ)требует цикла памяти.Рассмотрим пример.Пусть процессор вычисляет значение выраженияПрограмма решения этой задачи для одноадресного компьютера можетбыть следующей (табл. 3.4).Таблица 3.4.
Пример программыНомеркоманды1КомандаКомментарии234– рабочая ячейка56– рабочая ячейка78910Замечание. Выполнение команды типаподразумевает, чторезультат операции помещается в первый регистр, в данном случае врегистрКак следует из приведенной программы, операнд a выбирается из памяти 2раза (команды 4 и 5), b – 3 раза (команды 2, 7 и 8). Кроме того, потребовалисьдополнительные обращения к памяти для запоминания и вызова из памятирезультатов промежуточных вычислений (команды 3, 6, 9, 10).Если главным фактором, ограничивающим быстродействие компьютера,является время цикла памяти, то необходимость в дополнительных обращениях кпамяти значительно снижает скорость его работы. Очевидно, что принципиальнонеобходимы только обращения к памяти за данными в первый раз.
В дальнейшемони могут храниться в триггерных регистрах или СОЗУ.Указанные соображения получили свое воплощение в ряде логическихструктур процессора. Одна из них – процессор со стековой памятью. Принцип ееработы поясняет схема, представленная на рис. 3.2.Стековая память представляет собой набор из n регистров, каждый изкоторых способен хранить одно машинное слово. Одноименные разрядырегистров P1, P2, ..., Pn соединены между собой цепями сдвига. Поэтому весьнабор регистров может рассматриваться как группа n-разрядных сдвигающихрегистров, составленных из одноименных разрядов регистров P1, P2, ..., Pn.Информация в стеке может продвигаться между регистрами вверх и вниз.Движение вниз: (P1) → P2, (P2) → P3, ..., а P1 заполняется данными изглавной памяти.Движение вверх: (Pn) → Pn-1, (Pn-1) → Pn-2, а Pn заполняется нулями.Рис.
3.2. Стековая организация процессораРегистры P1 и P2 связаны с АЛУ, образуя два операнда для выполненияоперации. Результат операции записывается в P1. Следовательно, АЛУ выполняетоперацию.Одновременно с выполнением арифметической операции (АО)осуществляется продвижение операндов вверх, не затрагивая P1, т. е. (P3) → P2,(P4) → P3 и т. д.Таким образом, АО используют подразумеваемые адреса, что уменьшаетдлину команды. В принципе, в команде достаточно иметь только поле,определяющее код операции. Поэтому компьютеры со стековой памятьюназывают безадресными. В то же время команды, осуществляющие вызов илизапоминание информации из главной памяти, требуют указания адреса операнда.Поэтому в ЭВМ со стековой памятью используются команды переменной длины.Например, в KDF-9 команды АО – однослоговые, команды обращения к памяти и передач управления– трехслоговые, остальные – двуслоговые.Команды располагаются в памяти в виде непрерывного массива слоговнезависимо от границ ячеек памяти.
Это позволяет за один цикл обращения кпамяти вызвать несколько команд.Для эффективного использования возможностей такой памяти в ЭВМвводятся спецкоманды:•дублирование ∼ (P1) → P2, (P2) → P3, ... и т. д., а (P1) остается при этомнеизменным;•реверсирование ∼ (P1) → P2, а (P2) → P1, что удобно для выполнениянекоторых операций.Рассмотрим тот же пример для новой ситуации (табл. 3.5):.Таблица 3.5. Реализация программы со стековой памятью№КомандаP1P2п/п123456789101112Вызов bДублированиеВызов cСложениеРеверсированиеДублированиеУмножениеВызов aДублированиеУмножениеСложениеДелениеbbcb+cbbb2aaa2a2+b2BBBb+cBb+cb2Ab2b+cP3P4Bb+cb+cb2b+cb+cКак следует из табл. 3.5, понадобились лишь три обращения к памяти длявызова операндов (команды 1, 3, 8).
Меньше обращений принципиальноневозможно. Операнды и промежуточные результаты поступают для операций вАУ из стековой памяти; 9 команд из 12 являются безадресными.Вся программа размещается в трех 48-разрядных ячейках памяти.Главное преимущество использования магазинной памяти состоит в том,что при переходе к подпрограммам (ПП) или в случае прерывания нетнеобходимости в специальных действиях по сохранению содержимогоарифметических регистров в памяти. Новая программа может немедленно начатьработу. При введении в стековую память новой информации данные,соответствующие предыдущей программе, автоматически продвигаются вниз.Они возвращаются обратно, когда новая программа закончит вычисления.Наряду с указанными преимуществами стековой памяти отметим также:•уменьшение количества обращений к памяти;•упрощение способа обращения к ПП и обработки прерываний.Недостатки стековой организации памяти:•большое число регистров с быстрым доступом;•необходимость в дополнительном оборудовании, чтобы следить запереполнением стековой памяти, ибо число регистров памяти конечно;•приспособленность главным образом для решения научных задач и вменьшей степени для систем обработки данных или управлениятехнологическими процессами.3.6.
Оптимизация системы командВажным вопросом построения любой системы команд являетсяоптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров иприменяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимойдля декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурахиспользуются достаточно простые методы адресации, позволяющие резкоупростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся вреальных программах методы адресации реализуются с помощьюдополнительных команд, что, вообще говоря, приводит к увеличению размерапрограммного кода.
Однако такое увеличение программы с лихвой окупаетсявозможностью простого увеличения частоты RISC-процессоров. Этот процессможно наблюдать сегодня, когда максимальные тактовые частоты практическивсех RISC-процессоров (Alpha, R4400, HyperSPARC и Power2) превышаюттактовую частоту, достигнутую процессором Pentium.Общую технологию проектирования системы команд для новой ЭВМможно обозначить так: зная класс решаемых задач, выбираем некоторую типовуюСК для широко распространенного компьютера и исследуем ее на предметприсутствия всего разнообразия операций в заданном классе задач. Вовсе невстречающиеся или редко встречающиеся операции не покрываем командами.Все частоты встреч операций для задания их в СК всякий раз можно определитьиз соотношений "стоимость затрат – сложность реализации – получаемыйвыигрыш".Второй путь проектирования СК состоит в расширении имеющейсясистемы команд. Один из способов такого расширения – создание макрокоманд,второй – используя имеющийся синтаксис языка СК, дополнить его новымикомандами с последующим переассемблированием, через расширение функцийассемблера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
