Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ (2006), страница 5

Эффективность системы команд — степень соответствия системы команд назначению ЭВМ, т. е. классу алгоритмов, для выполнения которых предна­значается ЭВМ, а также требованиям к производительности ЭВМ. Очевидно, что реализация развитой системы команд связана с большими затратами обо­рудования и, следовательно, с высокой стоимостью процессора. В то же вре­мя ограниченный набор команд приводит к снижению производительности и повышенным требованиям к памяти для размещения программы. Даже про­стые и дешевые современные микропроцессоры поддерживают систему ко­манд, содержащую несколько десятков (а с модификациями — сотен) ко­манд.

Система команд процессора характеризуется тремя аспектами: форматами, способами адресации и системой операций.

2.2.1. Форматы команд

Под форматом команды следует понимать длину команды, количество, раз­мер, положение, назначение и способ кодировки ее полей.

Команды, как и любая информация в ЭВМ, кодируются двоичными словами, которые должны содержать в себе следующие виды информации:

□ тип операции, которую следует реализовать в данной команде (КОП);

□ место в памяти, откуда следует взять первый операнд (А1);

□ место в памяти, откуда следует взять второй операнд (А2);

□ место в памяти, куда следует поместить результат (A3).

Каждому из этих видов информации соответствует своя часть двоичного сло­ва — поле, а совокупность полей (их длины, расположение в командном слове, способ кодирования информации) называется форматом команды. В свою очередь, некоторые поля команды могут делиться на подполя. Формат команды, поля которого перечислены выше, называется трехадресным (рис. 2.1, а).

Рис. 2.1. Форматы команд: а — трехадресный; б — двухадресный; в — одноадресный;

г — безадресный

Команды трехадресного формата занимают много места в памяти, в то же время далеко не всегда поля адресов используются в командах эффективно. [Действительно, наряду с двухместными операциями (сложение, деление, Конъюнкция и др.) встречаются и одноместные (инверсия, сдвиг, инкремент др.), для которых третий адрес не нужен. При выполнении цепочки вычис-ний часто результат предыдущей операции используется в качестве опе-да для следующей. Более того, нередко встречаются команды, для кото-операнды не определены (СТОП) или подразумеваются самим кодом раций (DAA, десятичная коррекция аккумулятора).

ому в системах команд реальных ЭВМ трехадресные команды встреча-я редко. Чаще используются двухадресные команды (рис. 2.1,6), в этом "ае в бинарных операциях результат помещается на место одного из опе-ов.

реализации одноадресных форматов (рис. 2.1, в) в процессоре преду-ивают специальную ячейку— аккумулятор. Первый операнд и резуль-всегда размещаются в аккумуляторе, а второй операнд адресуется по-А.

ьная система команд обычно имеет команды нескольких форматов, при-тип формата определяется в поле КОП.

12. Способы адресации

особ адресации определяет, каким образом следует использовать инфор-ию, размещенную в поле адреса команды.

Не следует думать, что во всех случаях в поле адреса команды помещается адрес операнда. Существует пять основных способов адресации операндов в командах.

□ Прямая — в этом случае в адресном поле располагается адрес операнда. Разновидность — прямая регистровая адресация, адресующая не ячейку памяти, а РОН. Поле адреса регистра имеет в команде значительно мень­шую длину, чем поле адреса памяти.

□ Непосредственная — в поле адреса команды располагается не адрес опе­ранда, а сам операнд. Такой способ удобно использовать в командах с константами.

□ Косвенная — в поле адреса команды располагается адрес ячейки памяти, в которой хранится адрес операнда ("адрес адреса"). Такой способ позволяет оперировать адресами как данными, что облегчает организацию циклов, обработку массивов данных и др. Его основной недостаток — потеря вре­мени на двойное обращение к памяти — сначала за адресом, потом — за операндом. Разновидность — косвенно-регистровая адресация, при кото­рой в поле команды размещается адрес РОН, хранящего адрес операнда. Этот способ, помимо преимущества обычной косвенной адресации, позво­ляет обращаться к большой памяти с помощью коротких команд и не тре­бует двойного обращения к памяти (обращение к регистру занимает го­раздо меньше времени, чем к памяти).

□ Относительная— адрес формируется как сумма двух слагаемых: базы, хранящейся в специальном регистре или в одном из РОН, и смещения, из­влекаемого из поля адреса команды. Этот способ позволяет сократить длину команды (смещение может быть укороченным, правда в этом слу­чае не вся память доступна в команде) и/или перемещать адресуемые массивы информации по памяти (изменяя базу). Разновидности— ин­дексная и базово-индексная адресации. Индексная адресация предполага­ет наличие индексного регистра вместо базового. При каждом обращении содержимое индексного регистра автоматически модифицируется (обычно увеличивается или уменьшается на 1). Базово-индексная адресация фор­мирует адрес операнда как сумму трех слагаемых: базы, индекса и сме­щения.

□ Безадресная — поле адреса в команде отсутствует, а адрес операнда или не имеет смысла для данной команды, или подразумевается по умолчанию. Часто безадресные команды подразумевают действия над содержимым аккумулятора. Характерно, что безадресные команды нельзя применить к другим регистрам или ячейкам памяти.

Одной из разновидностей безадресного обращения является использование т. н. магазинной памяти или стека. Обращение к такой памяти напоминает обращение с магазином стрелкового оружия. Имеется фиксированная ячейка, называемая верхушкой стека. При чтении слово извлекается из верхушки, а все остальное содержимое "поднимается вверх" подобно па­тронам в магазине, так что в верхушке оказывается следующее по порядку слово. Одно слово нельзя прочитать из стека дважды. При записи новое слово помещается в верхушку стека, а все остальное содержимое "опус­кается вниз" на одну позицию. Таким образом, слово, помещенное в стек первым, будет прочитано последним. Говорят, что стек поддерживает дисциплину LIFO — Last In First Out (последний пришел — первый ушел). Реже используется безадресная память типа очередь с дисциплиной FIFO — First In First Out (первый пришел — первый ушел).

2.2.3. Система операций

Все операции, выполняемые в командах ЭВМ, принято делить на пять клас­сов.

□ Арифметико-логические и специальные — команды, в которых выполняет­ся собственно преобразование информации. К ним относятся арифметиче­ские операции сложение, вычитание, умножение и деление (с фиксиро­ванной и плавающей занятой), команды десятичной арифметики, логиче­ские операции конъюнкции, дизъюнкции, инверсии и др., сдвиги, преобразование чисел из одной системы счисления в другую и такие эк­зотические, как извлечение корня, решение системы уравнений и др. Ко­нечно, очень редко встречаются ЭВМ, система команд которых включает все эти команды.

□ Пересылки и загрузки — обеспечивают передачу информации между про­цессором и памятью или между различными уровнями памяти (СОЗУ <-> ОЗУ). Разновидность — загрузка регистров и ячеек констан­тами.

□ Ввода/вывода — обеспечивают передачу информации между процессором и внешними устройствами. По структуре они очень похожи на команды предыдущего класса. В некоторых ЭВМ принципиально отсутствует раз­личие между ячейками памяти и регистрами внешних устройств (единое адресное пространство) и класс команд ввода/вывода не выделяется, все обмены осуществляются в рамках команд пересылки и загрузки.

□ Передачи управления — команды, которые изменяют естественный поря­док выполнения команд программы. Эти команды меняют содержимое программного счетчика, обеспечивая переходы по программе. Существуют команды безусловной и условной передачи управления. В последнем случае передача управления происходит, если выполняется заданное в коде команды условие, иначе выполняется следующая по порядку команда.

В качестве условий обычно используются признаки результата предыду­щей операции, которые хранятся в специальном регистре признаков (флажков). Чаще всего формируются и проверяются признаки нулевого результата, отрицательного результата, наличия переноса из старшего разряда, четности числа единиц в результате и др. Различают три разно­видности команд передачи управления:

• переходы;

• вызовы подпрограмм;

• возвраты из подпрограмм.

Команды переходов помещают в программный счетчик содержимое своего адресного поля — адрес перехода. При этом старое значение программно­го счетчика теряется. В микроЭВМ часто для экономии длины адресного поля команд условных переходов адрес перехода формируется как сумма текущего значения программного счетчика и относительно короткого зна­кового смещения, размещаемого в команде. В крайнем случае, в командах условных переходов можно и вовсе обойтись без адресной части — при выполнении условия команда "перепрыгивает" через следующую команду, которой обычно является безусловный переход.

Команда вызова подпрограммы работает подобно команде безусловного перехода, но старое значение программного счетчика предварительно со­храняется в специальном регистре или в стеке. Команда возврата передает содержимое верхушки стека или специального регистра в программный счетчик. Команды вызова и возврата работают "в паре". Подпрограмма, вызываемая командой вызова, должна заканчиваться командой возврата, что обеспечивает по окончании работы подпрограммы передачу управле­ния в точку вызова. Хранение адресов возврата в стеке обеспечивает воз­можность реализации вложенных подпрограмм.

□ Системные— команды, выполняющие управление процессом обработки информации и внутренними ресурсами процессора. К таким командам от­носятся команды управления подсистемой прерывания, команды уста­новки и изменения параметров защиты памяти, команда останова про­граммы и некоторые другие. В простых процессорах класс системных команд немногочисленный, а в сложных мультипрограммных системах предусматривается большое число системных команд.

глава з

Арифметические основы ЭВМ

Безусловно, одним из основных направлений применения компьютеров были и остаются разнообразные вычисления. Обработка числовой информации ве­дется и при решении задач, на первый взгляд не связанных с какими-то рас­четами, например, при использовании компьютерной графики или звука.

В связи с этим встает вопрос о выборе оптимального представления чисел в компьютере. Безусловно, можно было бы использовать 8-битное (байтовое) кодирование отдельных цифр, а из них составлять числа. Однако такое коди­рование не будет оптимальным, что легко увидеть из простого примера. Пусть имеется двузначное число 13. При 8-битном кодировании отдельных цифр в кодах ASCII его представление выглядит следующим образом: 0011000100110011, т.е. код имеет длину 16 битов; если же определять это число просто в двоичном коде, то получим 4-битную цепочку 1101.

Важно, что представление определяет не только способ записи данных (букв или чисел), но и допустимый набор операций над ними; в частности, буквы могут быть только помещены в некоторую последовательность (или исклю­чены из нее) без изменения их самих; над числами же возможны операции, изменяющие само число, например, извлечение корня или сложение с другим числом.

Представление чисел в компьютере имеет две особенности:

□ числа записываются в двоичной системе счисления (в отличие от привыч­ной десятичной);

□ для записи и обработки чисел отводится конечное количество разрядов (в "некомпьютерной" арифметике такое ограничение отсутствует).

Следствия, к которым приводят эти отличия, и рассматриваются в данной главе.

3.1. Системы счисления

Начнем с некоторых общих замечаний относительно понятия число [12]. Можно считать, что любое число имеет значение (содержание) и форму представления.

Значение числа задает его отношение к значениям других чисел ("больше", "меньше", "равно") и, следовательно, порядок расположения чисел на число­вой оси. Форма представления, как следует из названия, определяет порядок записи числа с помощью предназначенных для этого знаков. При этом значе­ние числа является инвариантом, т. е. не зависит от способа его представле­ния. Это означает также, что число с одним и тем же значением может быть записано по-разному, т. е. отсутствует взаимно однозначное соответствие между представлением числа и его значением.

В связи с этим возникают вопросы, во-первых, о формах представления чисел и, во-вторых, о возможности и способах перехода от одной формы к другой.

Способ представления числа определяется системой счисления.

Определение_

Система счисления — это правило записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков — цифр.