Команды микропроцессора. Основные команды эвм Форматы команд эвм

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд; команда является указанием процессору произвести какую-либо элементарную операцию, например, копирования информации, сложения
и др. Все программы более высокого уровня (текстовый редактор, лазерный проигрыватель и прочие, в том числе написанные на языках программирования) сводятся к последовательности машинных команд.

Совокупность всех операций, которые может выполнять машина, образует систему ее команд . Система команд зависит от конструкции ЭВМ;
в пределах одного семейства компьютеры имеют совместимые инструкции.

Несмотря на отдельные отличия, системы машинных команд имеют много общего. Любая 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 рождением вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль.

3. Логические операции , позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. После выполнения такой команды, с помощью условного перехода ЭВМ способна выбрать дальнейший ход выполнения программы. Простейшими примерами команд рассматриваемой группы могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляется анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево.

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.

6. Команды управления , к которым 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: любой цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят операции по управлению процессором; с ростом сложности устройства процессора количество такого рода команд увеличивается.

По степени сложности команд и их ассортименту процессоры разделяют на две группы - RISC и CISC (см. “Процессор ”).

Пожалуй, наиболее удивительным является тот факт, что с помощью относительно небольшого многообразия универсальных команд удается создать программное обеспечение, которое способно себя вести весьма сложным образом.

Любая команда ЭВМ обычно состоит из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией . Адресная часть описывает, где используемая информация хранится и куда поместить результат .

Команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от количества возможных операндов. Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить в адрес А3. Для реализации этого сложения на одноадресной машине потребуется выполнить не одну, а три команды:

a) извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор;

b) сложить сумматор с числом из А2;

c) записать результат из сумматора в А3.

Может показаться, что одноадресной машине для решения любой задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это далеко не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения Y = (X 1 + X 2) * X 3/X 4 и вы с удивлением обнаружите, что потребуется 3 трехадресных команды и всего 5 одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, т.к. она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов.

Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нульадресной) машины, использующей особый способ организации памяти - стек. Хотя подобная машина неудобна для человека, она легко реализуется в компьютере; в частности, именно так устроена JAVA-машина.

Чтобы получить хотя бы некоторое представление об уровне машинных команд, приведем примеры нескольких типичных инструкций для процессоров семейства Intel.

С точки зрения программиста, машинные команды - это самый низкий уровень. Но для процессора каждая инструкция распадается на еще более простые составные части, которые принято называть тактами . На каждом такте процессор выполняет какие-либо совсем элементарные действия, например, обнуляет один из своих внутренних регистров, копирует содержимое из одного регистра в другой, анализирует содержимое отдельных битов информации и т.д. Для синхронизации последовательных машинных тактов они инициируются с помощью специального тактового генератора. Его частота выбирается инженерами таким образом, чтобы к началу следующего такта все операции предыдущего успевали надежно заканчиваться.

Различные по сложности операции выполняются за разное количество тактов. Например, передача содержимого одного регистра в другой выполняется гораздо быстрее, чем умножение чисел. Существенно удлиняется выполнение команды, если ее данные берутся не из внутренних регистров самого процессора, а из оперативной памяти (именно поэтому в процессор встраивается внутренний кэш).

Из сказанного выше отчетливо следует, что тактовая частота , определяющая время выполнения составляющих машинной команды, является важной характеристикой процессора: чем она выше, тем быстрее при прочих равных условиях работает процессор. Подчеркнем, что в случае различных алгоритмов выполнения операций внутри разных моделей процессоров использовать тактовую частоту как меру сравнения их быстродействия весьма проблематично.

Эксперименты показывают 5 , что для процессоров типа Pentium и ниже простые инструкции (пересылки, сложение регистров и т.п.) выполняются примерно за один такт. Таким образом, тактовая частота вполне может служить приблизительной оценкой количества таких операций, выполняемых за 1 секунду. Для более поздних моделей картина существенно “размывается” из-за сложных методов одновременного выполнения нескольких операций.

Курс информатики основной школы

В базовом курсе достаточно дать ученикам лишь наиболее общее представление о машинных командах. При этом важно подчеркнуть два аспекта проблемы. Во-первых, как и любой исполнитель, компьютер имеет собственную систему команд. А во-вторых, эта система является базовой для реализации всех остальных уровней программного обеспечения.

Предложенное в статье объяснение понятия тактовой частоты не является традиционным, но оно достаточно просто для понимания и хорошо согласуется с устройством процессоров.

Курс информатики в старших классах

При изучении программного обеспечения можно рекомендовать учителю в ознакомительном плане изложить материал данной статьи. Хотя полученные знания, вероятно, не будут непосредственно применяться учениками, для формирования общих представлений об обработке информации на компьютере они являются весьма полезными.

Принципы исполнения программы в машинных командах можно также изучать с помощью известного по методической литературе приема - учебной модели ЭВМ, такой, как “Кроха”, “Нейман”, “Малютка”, и др. 6 . Достоинство такого подхода заключается в том, что учебная модель компьютера, отражая его наиболее важные черты, в то же время устроена наиболее просто и не содержит “отвлекающих” внимание учеников второстепенных деталей. На базе учебного компьютера можно продемонстрировать ученикам следующие вопросы: программный принцип работы ЭВМ, система команд, хранение данных в ОЗУ - и некоторые другие. При наличии соответствующего учебного ПО (его можно взять, например, с указанного выше сайта) можно даже продемонстрировать ученикам на базе изучаемой модели, что такое языки ассемблер и Паскаль.

5 См., например, эксперименты 3.6.2 в: Еремин Е.А. Популярные лекции об устройстве компьютера. СПб.: BHV-Петербург, 2003, 272 с.

6 Подробному описанию учебных моделей посвящен сайт http://educomp.runnet.ru/ .

Обработка информации в ЭВМ осуществляется путём программного управления.

Программа представляет собой алгоритм обработки информации, записанной в виде последовательности команд, которые должны быть выполнены машиной для получения результата.

Команда ЭВМ представляет собой код, определяющий операцию вычислительной машины и данные, участвующие в операции. В явной и неявной форме команда содержит также информацию об адресе, по которому помещается результат операции, и об адресе следующей команды.

По характеру выполняемых операций можно выделить следующие группы команд:

¨ команды арифметических операций для чисел с фиксированной или плавающей запятой;

¨ команды десятичной арифметики;

¨ команды передачи данных (MOV AX, 0FFFh);

¨ команды операций ввода/вывода (IN, OUT);

¨ команды логических операций (AND, OR, NOT);

¨ команды передачи управления (управление циклом – LOOP, условные переходы – JAE, JB);

¨ команды задания режима работы машины и др.

Форматы команд ЭВМ

В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация объект адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся. Код команды можно представить состоящим из нескольких полей, каждое из которых имеет свое функциональное назначение.

В общем случае команда состоит из:

¨ операционной части (содержит код операции);

¨ адресной части (содержит адресную информацию о местонахождении обрабатываемых данных и месте хранения результатов).

В свою очередь, эти части, что особенно характерно для адресной части, могут состоять из нескольких полей.

Структура команды определяется составом, назначением и расположением полей в коде.

Форматом команды называется заранее оговоренная структура полей ее кода с разметкой номеров разрядов (бит), определяющих границы отдельных полей команды, или с указанием числа разрядов (бит) в определенных полях, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.

Пример формата команды процессора i486.

mod r/m - спецификатор режима адресации;

r/m - регистр памяти;

SS - масштабный множитель для режима масштабирования индексной адресации;

КОП - код операции;

index - определяет индексный регистр;

base - определяет базовый регистр.

Важной и сложной проблемой при проектировании ЭВМ является выбор структуры и форматов команды, т.е. ее длины, назначения и размерности отдельных ее полей. Естественно стремление разместить в команде в возможно более полной форме информацию о предписываемой командой операции. Однако в условиях, когда в современных ЭВМ значительно возросло число выполняемых различных операций и соответственно команд (в компьютерах с CISC-архитектурой более 200 команд) и значительно увеличилась емкость адресуемой основной памяти (32, 64 Мб), это приводит к недопустимо большой длине формата команды.

Вместе с тем, для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия ЭВМ длина формата команды должна быть по возможности короче, укладываться в машинное слово или полуслово. Решение проблемы выбора формата команды значительно усложняется в микропроцессорах, работающих с коротким словом.

Проследим изменения классических структур команд.

Чтобы команда содержала в явном виде всю необходимую информацию о задаваемой операции, она должна, как это показано на рис. 3.1 (б), содержать следующую информацию: А1, А2 - адреса операндов, А3 - адрес результата, А4 - адрес следующей команды (принудительная адресация команд).

Рис. 3.1. Структуры команд: а) обобщенная, б) четырехадресная, в) трехадресная, г) двухадресная, д) одноадресная, е)безадресная

Такая структура приводит к большей длине команды и неприемлема для прямой адресации операндов основной памяти. В компьютерах с RISC-архитектурой четырехадресные команды используются для адресации операндов, хранящихся в регистровой памяти процессора.

Можно установить, как это принято для большинства машин, что после выполнения данной команды, расположенной по адресу К (и занимающей L ячеек), выполняется команда из (K+L)-ой ячейки. Такой порядок выборки команды называется естественным. Он нарушается только специальными командами (передачи управления). В таком случае отпадает необходимость указывать в команде в явном виде адрес следующей команды.

В трехадресной команде (рис. 3.1, в) первый и второй адреса указывают ячейки памяти, в которых расположены операнды, а третий определяет ячейку, в которую помещается результат операции.

Можно условиться, что результат операции всегда помещается на место одного из операндов, например первого. Получим двухадресную команду (рис. 3.1, г), т.е. для результата используется подразумеваемый адрес.

В одноадресной команде (рис. 3.1, д) подразумеваемые адреса имеют уже и результат операции и один из операндов. Один из операндов указывается адресом в команде, в качестве второго используется содержимое регистра процессора, называемого в этом случае регистром результата или аккумулятором. Результат операции записывается в тот же регистр.

Наконец, в некоторых случаях возможно использование безадресных команд (рис. 3.1, е), когда подразумеваются адреса обоих операндов и результата операции, например, при работе со стековой памятью.

С точки зрения программиста, наиболее естественны и удобны трехадресные команды. Обычно в ЭВМ используется несколько структур и форматов команд разной длины. Приведенные на рис. 3.1. структуры команд достаточно схематичны. В действительности адресные поля команд большей частью содержат не сами адреса, а только информацию, позволяющую определить действительные (исполнительные) адреса операндов в соответствии с используемыми в командах способами адресации.

Способы адресации

Существует два различных принципа поиска операндов в памяти: ассоциативный и адресный.

Ассоциативный поиск операнда (поиск по содержанию ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кодов, содержащих заданный командой ассоциативный признак. Эти коды и выбираются из памяти в качестве искомых операндов.

Адресный поиск предполагает, что искомый операнд извлекается из ячейки, номер которой формируется на основе информации в адресном поле команды. Ниже мы будем рассматривать только реализацию адресного принципа поиска операнда.

Следует различать понятия исполнительного адреса и адресного кода.

Адресный код – это информация об адресе операнда, содержащегося в команде.

Исполнительный адрес – это номер ячейки памяти, к которой фактически производится обращение.

В современных ЭВМ адресный код, как правило, не совпадает с исполнительным адресом. Таким образом, способ адресации можно определить как способ формирования исполнительного адреса операнда А и по адресному коду команды А к.

В системах команд современных ЭВМ часто предусматривается возможность использования нескольких способов адресации операндов для одной и той же операции. Для указания способа адресации в некоторых системах команд выделяется специальное поле в команде - «метод» (указатель адресации). В этом случае любая операция может выполняться с любым способом адресации, что значительно упрощает программирование.

Адресуемые в командах операнды хранятся в основной памяти (ОП) и регистровой памяти (РП), рисунок 3.2.

Рассмотрим способы адресации, применяемые в современных ЭВМ.

Лекция 11 ОСНОВНЫЕ КОМАНДЫ ЭВМ Классификация команд по различным признакам Структура команд ЭВМ Команды передачи данных Команды обработки данных Команды передачи управления Команды для работы с подпрограммами. Стеки. Прочие команды ЭВМ.

Система команд ЭВМ Все разнообразие решаемых на ЭВМ задач реализуется с помощью небольшого набора очень простых команд. Система команд у типичной ЭВМ включает в себя всего 60 -150 базовых команд. Все команды в основном служат для выполнения очень простых действий, таких, как прочитать, запомнить, сложить, сдвинуть, сравнить и т. д. Интеллектуальность ЭВМ достигается за счет того, что ЭВМ способна выполнять программы, состоящие из большого числа таких простых действий с огромной, не достижимой для человека скоростью. При описании системы команд ЭВМ обычно принято классифицировать команды по следующим признакам.

Классификация команд ЭВМ По функциональному назначению Команды передачи данных Команды обработки данных Команды передачи управления Дополнительные (прочие) По количеству адресов Нульадресные или безадресные С одним адресом С двумя адресами С тремя адресами По способу кодирования операции По длине С фиксированной длиной кода операции С переменной длиной кода операции По способу адресации Один байт (слово) Два байта (слова) Три байта (слова)

Код операции а 1 а 2 а 3 - Трехадресная команда а 1, а 2 – адреса ячеек (регистров), где находятся числа, участвующие в операции (операнды) а 3 – адрес ячейки оперативной памяти, куда нужно поместить результат Код операции а 1 а 2 - Двухадресная команда Результат записывается в ячейку а 2 Код операции а 1 - Одноадресная команда а 1 – адрес ячейки, где хранится число участвующее в операции или адрес ячейки, где записывается результат Код операции - Нуль адресная команда Все операнды в регистре ЦП

Команды передачи данных Данная группа команд включает в себя подгруппы команд передачи кодов между регистрами внутри процессора, из регистров процессора в память, из памяти в регистры процессора, из одних ячеек памяти в другие и передачи данных между процессором и портами внешних устройств. Отдельную подгруппу составляют команды работы со стеком. Они позволяют включить данные в стек для временного хранения и извлекать данные из стека при необходимости их использования.

Команды обработки данных Данную группу команд с точки зрения выполняемых над данными операций можно подразделить на арифметические (сложить, вычесть, умножить, сравнить), логические (операции И, ИЛИ, НЕ и т. д.) и команды сдвига. Команды этого типа могут иметь один или два операнда. Операнды могут храниться к регистрах центрального процессора, в памяти или в самой команде.

Результат операции формируется в регистре-приемнике или в специализированном регистреаккумуляторе. Команды данной группы формируют также признаки результатов, устанавливаемые в регистре флагов процессора: перенос из старшего разряда, переполнение, нулевой результат и др.

Подробнее о команде сравнения Обычно для сравнения двух чисел процессор выполняет операцию вычитания. По результату вычитания устанавливаются флаги во флаговом регистре. Очевидно, что если сравниваемые числа равны, результат вычитания будет нулевым и в регистре установится флаг нулевого результата. Если первое из сравниваемых чисел больше - результат вычитания будет отрицательным и установится флаг отрицательного результата. Результат вычитания не сохраняется в памяти, поскольку по состоянию флагового регистра можно судить о результатах сравнения чисел.

Команды передачи управления Они имеют важное значение, так как используются для изменения естественного порядка следования команд и организации циклических участков в программах. Простейшей командой передачи управления является команда безусловного перехода JMP , которая загружает адрес перехода, указанный в команде, в программный счетчик. Команды условного перехода проверяют указанное в команде условие и модифицируют программный счетчик, если условие истинно.

Src="https://present5.com/presentation/3/-29919247_13569617.pdf-img/-29919247_13569617.pdf-11.jpg" alt="Пример команды условного перехода Оператор IF (A>B) then go to L некоторого языка"> Пример команды условного перехода Оператор IF (A>B) then go to L некоторого языка высокого уровня может быть реализован двумя командами ЭВМ: СРАВНИТЬ А и В ПЕРЕЙТИ ЕСЛИ БОЛЬШЕ К АДРЕСУ L Если А>В, то результат вычитания будет положителен и соответственно флаг знака во флаговом регистре не установится. Вторая команда (условный переход) проверяет состояние флага знака и, если он не установлен, модифицирует программный счетчик так, чтобы его значение указывало на адрес L.

Организация подпрограмм В программировании широко используется такой прием, как организация подпрограмм. Подпрограмма описывается один раз, а вызываться может из различных мест программы неоднократно. Подпрограмма в процессе своей работы может вызвать другую. После того как подпрограмма закончила свою работу, управление должно быть передано на команду, следующую в памяти сразу за командой обращения к этой подпрограмме. Адрес команды, на которую управление передается после окончания работы подпрограммы, называется адресом возврата.

Где надо хранить адрес возврата? Для того, чтобы начать выполнять подпрограмму, в программный счетчик необходимо загрузить адрес первой команды подпрограммы. Для осуществления возврата из подпрограммы необходимо запомнить в каком-то месте адрес возврата. Можно, например, сохранить адрес возврата в одном из регистров процессора. Такой способ сохранения адреса возврата очень прост и легко реализуется. Однако часто встречаются подпрограммы, которые вызывают другие подпрограммы. Пусть основная программа вызвала подпрограмму А. Она в свою очередь обратилась к подпрограмме В. Если адрес возврата для подпрограммы А хранится в регистре процессора, то куда размещать адрес возврата при вызове подпрограммы В?

Обобщенный алгоритм функционирования фон – неймановской ЭВМ Инициализация Выборка команды Увеличение программного счетчика Дешифрация и выполнение команды Нет Команда «Остановка процессора» Да Инициализация

Понятие стека Большинство ЭВМ используют аппаратно поддерживаемую структуру данных, называемую стеком. Стек - это структура данных, организованная по принципу: последним вошел - первым вышел, т. е. последние записанные в стек данные извлекаются из него первыми. В переводе с англ. stack - стопка. Аналогом стека может служить стопка тарелок. Положить тарелку в стопку можно только сверху, извлечь без проблем опятьтаки только верхнюю тарелку.

Организация стека 1. В ЭВМ для организации стека выделяется область оперативной памяти, а для ее адресации и доступа к стеку используется регистр- указатель стека. 2. Регистр -указатель стека хранит адрес ячейки памяти, содержащей последнее помещенное в стек значение. 3. При записи числа в стек указатель стека модифицируется так, чтобы он указывал на следующую свободную ячейку, и в нее записываются данные.

4. При извлечении из стека данные считываются из той ячейки ОП, на которую показывает указатель, затем указатель стека модифицируется так, чтобы указывать на предпоследнее сохраненное в стеке значение. 5. Обычно стеки растут в сторону уменьшения адресов, т. е. при записи числа указатель стека уменьшается, при извлечении числа из стека - увеличивается.

Команды для работы с подпрограммами. Стеки Стек = ячейки ОП + регистр - указатель стека (АЛУ ЦП) Регистр - указатель стека хранит адрес ячейки ОП, в которой содержится последний помещенный в стек адрес возврата Структура данных стека на примере А) Начальное состояние: стек пустой Ячейки ОП Адреса ячеек 1000 Указатель стека 998 996 Б) В стек записаны два адреса возврата: 1234 и 5678 1234 1000 Указатель стека 5678 998 Запись адресов возврата 996 В) Из стека извлечен один адрес, последний Указатель стека 1234 1000 998 996 Считывание 1000

Src="https://сайт/presentation/3/-29919247_13569617.pdf-img/-29919247_13569617.pdf-19.jpg" alt="Работа команды вызова подпрограмм САLL 1. Когда процессор считывает из памяти команду САLL"> Работа команды вызова подпрограмм САLL 1. Когда процессор считывает из памяти команду САLL , программный счетчик увеличивается и показывает на команду, следующую за командой САLL. То есть программный счетчик теперь содержит адрес возврата, с которого должно продолжиться выполнение основной программы после окончания работы подпрограммы. 2. При выполнении обращения к подпрограмме процессор сохраняет содержимое программного счетчика в стеке, точнее, в его ячейках ОП. 3. Далее в программный счетчик загружается адрес команды, с которого начинается подпрограмма. Процессор приступает к выполнению подпрограммы.

Работа команды возврата RETURN 1. Для возврата из подпрограммы в основную программу служат команды возврата RETURN. 2. Команда возврата из подпрограммы извлекает из стека сохраненный в нем адрес возврата помещают его в программный счетчик. 3. Процессор приступает к выполнению основной программы. 4. Если имели место несколько вложенных вызовов подпрограмм, то возврат произойдет по адресу возврата, сохраненному последнего вызова, (так как для хранения адресов возврата используется стек и последний сохраненный адрес возврата будет вызван первым).

Прочие команды ЭВМ В ЭВМ могут быть дополнительные (специальные) команды. К их числу можно отнести команды остановки центрального процессора, сброса внешних устройств, установки или сброса отдельных признаков и т. д. Итак, на этой лекции были кратко рассмотрены базовые команды, используемые в типичных ЭВМ, и действия реализуемые этими командами.

Обработка чисел, символьной информации, логическая обработка, обработка сигналов — ϶ᴛᴏ все частные случаи общего понятия под названием «обработка информации ». Стоит сказать, для ЭВМ характерен признак: информация представляется с помощью двоичных целых чисел. Существует три этапа обработки информации:

хранение двоичной информации;
передача от одного хранилища к другому;
преобразование.

ЭВМ можно представить как совокупность узлов, соединенных каналом связи. Узлы соединяют в себе функции хранения и преобразования. По каналам связи передается информация от узла к узлу. Мы будем говорить о потоках информации в каналах связи (рис. 5.5) Некᴏᴛᴏᴩые узлы могут иметь специальную функцию ввода информации в систему и вывода из нее.

Рисунок № 5.5 Информационная модель ЭВМ: У — узлы

Показанная на рис. 5.5 модель не имеет ограничений на связи между отдельными узлами. Реализовать такую систему весьма сложно. Реально существующие системы имеют ряд ограничений на связи и четкое функциональное назначение отдельных узлов. Функции отдельного узла могут зависеть от его состояния. Состояние узла описывается значениями его внутренних полей (регистров) и может определяться процессом его функционирования или задаваться извне. Состояние узла будем называть его режимом . Физически режим может определяться значением регистра узла. Тогда установить режим узла означает приϲʙᴏить регистру определенное значение.

По каналам связи узлы могут обмениваться либо значащей информацией (сообщениями), либо управляющей. Под сообщениями будем понимать последовательности двоичных цифр, сохраняемые или обрабатываемые узлом. Управляющая информация определяет режимы узлов и каналов связи.

Информационная модель позволяет определить основные характеристики ЭВМ:

1. Узлы хранения имеют:

вместимость — максимальную, среднюю или минимальную;
скорость выборки;
разрядность выборки.

2. Преобразующие узлы имеют скорость преобразования.

3. Каналы определяются:

скоростью передачи информации (пропускная способность);
разрядностью передачи.

Рисунок № 5.6. Различные схемы организации ЭВМ:

ЭВМ с шинной организацией (а); канальная ЭВМ (б); ЭВМ с перекрестной коммутацией (в); конвейерная ЭВМ (г); КМ — коммутирующая матрица; КВВ — канал ввода-вывода

Из множества возможных соединений отбираются несколько типовых схем, обеспечивающих простоту, возможность реконфигурации (расширения), надежность, стандартизацию и т.д. Можно отметить следующие схемы (рис. 5.6):

с шинной организацией;
специализированные процессоры (каналы);
схемы с коммутацией;
архитектуры с распределенными функциями (распределенный интеллект);
с конвейерной организацией.

Изучим некᴏᴛᴏᴩые частные модели ЭВМ, имеющие широкое распространение или представляющие теоретический интерес.

Шинная организация. В ϶ᴛᴏй схеме все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симметрия подключения гарантирует ϲʙᴏбодное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некᴏᴛᴏᴩые узлы могут иметь специфические ϲʙᴏйства, например процессор, оперативная память, внешние накопители данных. Между ними организуется обмен информации. Так как потоки информации ограничены возможностями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.

Канальная организация. В ϶ᴛᴏй схеме операции обмена данными с внешними устройствами организуются через специализированный узел — канал ввода-вывода. Благодаря ϶ᴛᴏму можно организовывать обработку информации параллельно с вводом-выводом.

Организация с перекрестной коммутацией . Идея структурной организации таких ЭВМ состоит по сути в том, что все связи между узлами осуществляются с помощью специального устройства — коммутирующей матрицы. Коммутирующая матрица может связывать между собой любую пару узлов, причем таких пар может быть сколько угодно - связи не зависят друг от друга. В такой схеме нет конфликтов из-за связей, есть конфликты только из-за ресурсов. Возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет достичь очень высокой производительности комплекса.

Архитектура с распределенными функциями. Это являлось основной идеей японского проекта ЭВМ пятого поколения. Сегодня эта идея осталась не реализованной. Суть идеи состоит по сути в том, что обработка информации распределяется по «интеллектуальным» периферийным устройствам. Переход от ЭВМ четвертого поколения к ЭВМ пятого поколения намечалось осуществить не за счет существенного изменения элементной базы (как было ранее), а за счет резкого качественного изменения сложности и интеллектуальности различных компонент ЭВМ.

Конвейерная организация. Здесь обрабатывающее устройство разделяется на последовательно включенные операционные блоки, каждый из кᴏᴛᴏᴩых специализирован на выполнение строго определенной части операции. При ϶ᴛᴏм работа осуществляется следующим образом: когда i -й операционный блок реализует i -ую часть j -й операции, (i -1)-й операционный блок реализует (i -1)-ую часть (j +1)-й операции, а (i +1)-й операционный блок реализует (i +1)-ую часть (j -1)-й операции. В результате образуется ϲʙᴏего рода конвейер обработки и за счет ϶ᴛᴏго повышается производительность системы.

Основные команды ЭВМ

Важно знать, что большое изумление у человека, не знакомого с вычислительной техникой, вызывает тот факт, что все разнообразие решаемых на ЭВМ задач реализуется с помощью небольшого набора очень простых команд. Система команд у типичной ЭВМ содержит в себе всего 60 — 150 базовых команд. Все команды в основном служат для выполнения очень простых действий, таких, как прочитать, запомнить, сложить, сдвинуть, сравнить и т.д. Интеллектуальность ЭВМ достигается за счет того, что она способна выполнять программы, состоящие из большого числа таких простых действий с огромной, не достижимой для человека скоростью. В данном разделе кратко рассмотрим набор команд, используемых в типичных ЭВМ, и действия, реализуемые данными командами.

При описании системы команд ЭВМ обычно принято классифицировать команды по функциональному назначению, длине, способу адресации и другим признакам. Классификации команд по различным признакам показаны на рис. 5.7. Изучим основные группы команд, придерживаясь классификации команд на группы по функциональному назначению.

Рисунок № 5.7. Классификация команд ЭВМ

Команды передачи данных. Данная группа команд содержит в себе подгруппы команд передачи кодов между регистрами внутри процессора, из регистров процессора в память, из памяти в регистры процессора, из одних ячеек памяти в другие и передачи данных между процессором и портами внешних устройств. Отдельную подгруппу составляют команды работы со стеком. Стоит заметить, что они позволяют включать данные в стек для временного хранения и извлекать данные из стека при необходимости их использования. Подробное назначение и принципы использования стеков в ЭВМ рассмотрим ниже при обсуждении работы с подпрограммами и прерываниями.

Команды обработки данных. Данную группу команд с позиции выполняемых над данными операций можно подразделить на арифметические (сложить, вычесть, умножить и т.д.), логические (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.) и команды сдвига. Команды ϶ᴛᴏго типа могут иметь один или два операнда. Уместно отметить, что операнды могут храниться в регистрах центрального процессора, в памяти или в самой команде. Результат операции формируется в регистре-приемнике или в специализированном регистре-аккумуляторе. Команды данной группы формируют признаки результатов, устанавливаемые в регистре флагов процессора, перенос из старшего разряда, переполнение, нулевой результат и др. К арифметическим командам ᴏᴛʜᴏϲᴙт также и команды сравнения. Обычно для сравнения двух чисел процессор реализует операцию вычитания. По результату вычитания устанавливаются флаги во флаговом регистре процессора. Вполне понятно, что если сравниваемые величины равны, результат вычитания будет нулевым, и во флаговом регистре установится флаг нулевого результата. В случае если первая из сравниваемых величин больше — результат вычитания будет отрицательным и установится флаг отрицательного результата и т.д. Результат вычитания не сохраняется в памяти, по состоянию флагового регистра можно судить о результатах сравнения двух величин. Многие процессоры имеют команды сравнения операнда с нулем. В некᴏᴛᴏᴩых процессорах имеются команды проверки или установки состояния отдельных битов в операнде.

Команды передачи управления. Стоит отметить - они имеют важное значение, так как могут быть использованы для изменения естественного порядка следования команд и организации циклических участков в программах.

Простейшей командой передачи управления будет команда безусловного перехода JMP <адрес> , кᴏᴛᴏᴩая загружает адрес перехода, указанный в команде, в программный счетчик. Команды условного перехода проверяют указанное в команде условие и модифицируют программный счетчик, если условие истинно. Обычно команды условного перехода могут быть использованы после команд, изменяющих состояние флагового регистра (например, команд сравнения) При проверке условия производится сравнение состояния одного или нескольких флагов из флагового регистра с комбинацией, указанной в коде команды условного перехода. Модификация программного счетчика может производиться либо загрузкой в него нового значения, либо сложением его со смещением, указанным в команде.

Команды для работы с подпрограммами . Стеки . В практике программирования широко используется такой прием, как организация подпрограмм. Подпрограмма описывается один раз, а использоваться (вызываться) может из различных мест программы. При ϶ᴛᴏм, после того как подпрограмма закончила ϲʙᴏю работу, управление должно быть передано туда, откуда подпрограмма была вызвана на команду, следующую в памяти сразу за командой обращения к подпрограмме. Адрес команды, на кᴏᴛᴏᴩую управление передается после окончания работы подпрограмм, называется адресом возврата. Очевидно, для того, ɥᴛᴏбы начать выполнять подпрограмму, в программный счетчик крайне важно загрузить адрес первой команды подпрограммы. Стоит сказать, для осуществления возврата из подпрограммы крайне важно запомнить в каком-то месте адрес возврата. Можно, например, сохранить адрес возврата в одном из регистров процессора. Такой способ сохранения адреса возврата очень прост и легко реализуется. При этом он обладает одним существенным недостатком. Достаточно часто встречаются подпрограммы, кᴏᴛᴏᴩые вызывают другие подпрограммы. Пусть основная программа вызвала подпрограмму А. Стоит заметить, что она в ϲʙᴏю очередь обратилась к подпрограмме В. В случае если адрес возврата для подпрограммы А хранится в регистре процессора, то куда девать адрес возврата при вызове подпрограммы В?

Для организации подпрограмм большинство ЭВМ используют аппаратно поддерживаемую структуру данных, называемую стеком. Стек - ϶ᴛᴏ структура данных, организованная по принципу: последним вошел — первым вышел, т.е. последние записанные в стек данные извлекаются из него первыми. В переводе с англ., stack — стопка. Аналогом стека может служить стопка тарелок. Стоит сказать - положить тарелку в стопку можно только сверху, извлечь опять-таки только верхнюю тарелку. В ЭВМ для организации стека выделяется область оперативной памяти, а для ее адресации и доступа к стеку используется упоминавшийся выше регистр — указатель стека. Указатель стека хранит адрес ячейки памяти, содержащей последнее помещенное в стек значение.

Для возврата из подпрограммы в основную программу служат команды возврата RETURN. Команды возврата из подпрограммы извлекают из стека верхний элемент и помещают его в программный счетчик. В случае если имели место несколько вложенных вызовов подпрограмм, то возврат произойдет по адресу возврата, сохраненному после последнего вызова, так как для хранения адресов возврата используется стек, и последний сохраненный адрес возврата будет использован первым.

Прочие команды. В ЭВМ могут быть дополнительные (специальные) команды. К их числу можно отнести команды остановки центрального процессора, сброса внешних устройств, установки или сброса отдельных признаков и т.д.

В цифровых ЭВМ производится обработка информации, представленной в числовом виде. Информацией внутри ЭВМ являются команды и данные, которые необходимо распознать и обработать. В большинстве компьютеров данные и команды обрабатываются по словам, иногда по байтам. Длина слова определяется числом разрядов (битов) из которых состоит слово. Формат слова отображает организацию (назначение) отдельных разрядов в слове. Слова часто делят на слоги по одному байту в слове.

Данные и команды могут быть представлены одним либо несколькими словами. При использовании только одного слова для представления информации каждое слово должно содержать код операции, адрес в памяти и операнд. На рисунке 2.2 показан пример такого слова.

Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с данными. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится и куда поместить результат. Совокупность всех кодов операции образует набор команд процессора. Количество команд в ЭВМ равно 2 n 1 , где n 1- количество разрядов для представления команды. Современные ЭВМ выполняют от 20 до нескольких сотен команд: арифметических, логических, сдвиговых, а также команд управления периферийными устройствами. У некоторых немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; но операционная часть имеется всегда.

В зависимости от количества возможных операндов команды могут быть одно-, двух- и трехадресные. Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. В трехадресной команде указываются адреса первого и второго операндов, а также адрес, куда следует поместить результат операции. Трехадресная команда легко расшифровывается и удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становится непомерно большой. Поэтому были разработаны двухадресные компьютеры, длина команды в которых сокращена за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции остается в специальном регистре (аккумуляторе) и пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов. Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин.

Диапазон чисел , представляемых в компьютере, определяется длиной слова данных и используемым способом кодирования. При использовании двоичной системы счисления, максимальное число равно 2 ( n 3 – 1) , где n 3 – количество разрядов, выделенных для кодирования числа. Один разряд предназначается для фиксации знака числа: 0 – положительное, 1 – отрицательное. Отрицательное число может быть выражено не только с помощью знака и значения, но его можно представить также в виде дополнительного кода.

При представлении дробных чисел применяется использование чисел с фиксированной и плавающей запятой. В первом случае программист сам выбирает диапазон изменения чисел. Причем в процессе вычислений этот диапазон не должен быть превышен. Это представляет в ряде случаев определенные трудности. Поэтому во многих ВМ предусматривается возможность обработки чисел с плавающей запятой. Число в этом случае выражается порядком и мантиссой (полулогарифмическая форма).

CISC- и RISC-процессоры

По системе команд и архитектуре различают 2 вида процессоров (компьютеров):

1) с полным набором инструкций - CISC (Complete Instruction Set Computer );

2) с сокращенной системой команд - RISC (Reduced Instruction Set ).

Такие процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, и их система команд отличается относительной простотой.

Стратегия CISC-архитектуры формировалась в большой степени по желанию программистов иметь в своем распоряжении как можно больший набор команд для упрощения программирования. За первое десятилетие компьютерной эры список команд ЭВМ расширился от нескольких десятков до нескольких сотен.

Для CISC-процессоров характерны следующие признаки:

1) небольшое число регистров общего назначения;

2) большое количество машинных команд;

3) наличие сложных (многотактных) команд, функционально аналогичных операторам языков программирования высокого уровня;

4) большое количество способов адресации,

5) большое количество форматов команд различной разрядности;

6) преобладание двухадресного формата команд;

7) наличие команд обработки типа регистр-память.

Использование CISC-архитектуры упрощает компиляцию программ и уменьшает размеры исполняемых модулей. Но в архитектуре CISC плохо реализуются новейшие технические решения по повышению быстродействия процессоров. Это использование конвейерной, суперконвейерной и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Стратегия RISC архитектуры формировалась исходя из требований достижения максимальной производительности компьютера. По этой причине главными требованиями архитектуры RISC являлись следующие:

1) любая операция должна выполняться за один такт;

2) система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых команд (несколько десятков) одинаковой длины;

3) операции обработки данных реализуются только в формате регистр-регистр. Обмен между регистрами и памятью выполняется только командами загрузки и записи.

В дальнейшем эти требования были несколько смягчены. Выполнение команды за один такт стало трактоваться как загрузка конвейера команд в темпе "команда за такт". Набор команд современных RISC-процессоров возрос и содержит до 150 команд и более.

Незыблемым для архитектуры RISC остается только требование: обработка данных ведется только командами в формате регистр-регистр.

Для архитектуры характерны следующие признаки:

1) наличие внутри процессора достаточно большого файла регистров общего назначения (32 и более регистров);

2) использование для обработки информации трехадресных регистровых команд;

3) команды регистр-память применяются только для загрузки внутренних регистров из памяти и сохранения содержимого регистров общего назначения в памяти,

Использование в программе только простых команд в формате регистр-регистр позволяет увеличить скорость выполнения большинства вычислительных задач в 2-3 раза. В процессе научных исследований было установлено, что в 80% кода программ содержится около 20% простейших команд, а удаление из системы команд сложных операций позволяет уменьшить объём аппаратуры процессора примерно в 10 раз без ощутимого снижения быстродействия. Поэтому в основе современных высокопроизводительных ЭВМ заложена архитектура RISC.