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, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно 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 обрабатываемую 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 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 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. Часто 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 эта плата бывает оправданной: 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. Подводя 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. 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. У нескольких немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; операционная часть имеется, всегда. Код операции можно представить себе как некоторый условный номер в общем списке системы команд. В основном этот список построен в соответствии с определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегда очевидны. Адресная часть обладает значительно большим разнообразием и ее следует рассмотреть подробнее. Прежде всего отметим, что команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от числа участвующих в них 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 A3. Если для операции требовалось меньшее число адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и A3, а содержимое А2 не имело никакого значения. Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Действительно, длина команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части одной команды требуется 3*10 = 30 двоичных разрядов, что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов. Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в ячейку с адресом A3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется выполнить три команды: извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор; сложить сумматор с числом из А2; записать результат из сумматора в A3. Может показаться, что одноадресной машине для решения задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения А5 = (А1 + А2)*АЗ/А4 и вы обнаружите, что потребуется три трехадресных команды и всего пять одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов. Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти -стек. Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов (например, типа «БЗ-21» и «БЗ-34» и им подобных). До сих пор в описании структуры машинной команды мы пользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперь вопрос об адресации элементов ОЗУ более подробно и строго. Наиболее просто была организована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второго поколения состояла из 36 двоичных разрядов. Очень часто программа предназначалась для обработки по одним и тем же формулам определенного количества содержимого последовательно расположенных ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получили впоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотрены особые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью в машинных командах помимо обычных адресов можно было использовать модифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу. К помеченным таким образом модифицируемым адресам при выполнении команды прибавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимое индексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива. Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ в момент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась без изменений. Описанный механизм модификации адресов существенно упрощал написание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательных ячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п. В ЭВМ третьего поколения идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатывать несколько типов данных: символы текста (1 байт), целые числа (2 байта), вещественные числа обычной или двойной точности (4 или 8 байт соответственно). В связи с этим была введена новая условная единица измерения информации - машинное слово. Оно равнялось 4 байтам и соответствовало длине стандартного вещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах, кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номер ячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относится к отдельному байту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит из нескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобно принимать адрес одного из образующих его байтов (обычно используется младший байт, имеющий наименьший номер). Таким образом, адреса слов меняются уже не через единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах и равняется четырем. Размер машинного слова был, по-видимому, выбран исходя из форматов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либо устройств. Для подтверждения этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМ третьего поколения из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели «ЕС-1022» имело 16 двоичных разрядов, «ЕС-1033» - 32 разряда, а «ЕС-1050» - 64 разряда. В то же время за одно обращение к оперативной памяти в «ЕС-1022» и «ЕС-1033» выбиралось 4 байта, в «ЕС-1050» - 8 байт (а в «ЕС-1045» - 16 байт). Таким образом, разнообразие цифр свидетельствует, что 32 разряда (4 байта) не являлись каким-то технически выделенным объемом информации. В машинах третьего поколения появились и еще несколько особенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрение особенностей строения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим до следующего раздела.
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 рождением вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (последнее внутри процессора 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 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), описанные ранее в п.1.4. 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 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 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 типа останов или НОП - нет операции. Иногда их выделяют в особую группу. С ростом сложности устройства процессора количество такого рода команд увеличивается.
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. У некоторых немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; операционная часть имеется всегда.
Код операции можно представить себе как некоторый условный номер в общем списке системы команд. В основном этот список построен в соответствии с определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегда очевидны.
Адресная часть обладает значительно большим разнообразием и ее следует рассмотреть подробнее.
Прежде всего отметим, что 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. Если для операции требовалось меньшее количество адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и А3, а содержимое А2 не имело никакого значения.
Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Действительно, длина такой команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части требуется 3*10=30 двоичных разрядов, что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре ) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов.
Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в адресах ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в А3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется выполнить три команды:
- извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор;
- сложить сумматор с числом из А2;
- записать результат из сумматора в А3.
Может показаться, что одноадресной машине для решения задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это далеко не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения Y=(X1+X2)*X3/X4 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 . Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений; в то же время сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов типа "Б3-21" и "Б3-34" и им подобным.
© Е.А.Еремин , 1997
Из книги:
Еремин Е.А. Как работает современный компьютер . - Пермь: изд-во ПРИПИТ, 1997. 176 с.
Одно определение понятия процессора было дано во введении.
Процессор – функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информационных потоков на основе принципа программного управления.
Процессор выполняет функцию выполнения программ (помещаются в ОЗУ) путем выборки, проверки и последовательного выполнения действий, предписанных командами. По-другому: процессор исполняет предписанные командами действия над кодированной информацией в соответствии с программами.
В современных компьютерах процессор (ядро ЭВМ) есть не формальное объединение АЛУ и ЦУУ, а результат развития структуры ЭВМ, призванный обеспечивать высокое быстродействие и широкие функционально-логические возможности обработки информации. В частности, появление новых ЭВМ привело к необходимости появления компьютере и в процессоре
1) системы прерывания;
2) новых уровней памяти;
3) средств защиты памяти;
4) использования специальных типов индексации, адресации информации;
5) кэш-память команд, ветвлений, предсказаний обменов и т.д.;
6) специальных процедур управления вычислительным процессом
Все эти подсистемы и устройства частично или целиком входят в процессор. Главное же новое структурное явление в процессоре – СОЗУ.
Поэтому ныне процессор имеет более развитую структуру, повторяющую в известном смысле структуру машины фон Неймана.
Но мы не будем касаться новых направлений в организации процессоров. Их осветят в полной мере в курсе «Микропроцессоры».
3.1. Система команд ЭВМ.
Система команд ЭВМ определяется структурой и форматами команд, а также списком (перечнем) команд и способами адресации.
Командой называется некоторым образом кодированная информация, определяющая выработку в ЭВМ последовательностей сигналов, предназначенных для выполнения определенной операции (действия) машины над заданными числовыми и нечисловыми кодами.
Поскольку, в конечном счёте, команда тем или иным образом вводится в ЭВМ и ею воспринимается, то конечный вид команды – цифровой код.
Соответственно, конечной формой программы работы ЭВМ (программу можно определить как специальным образом формализованный алгоритм обработки информации) является программа в кодированных командах.
3.1.1. Структура и форматы команд.
В соответствии с введенным определением команды, структура последней имеет операционную и адресную части (что и над какими данными надо сделать), а также служебную часть, определяющие особенность выполнения данной команды (модификацию) в зависимости от значений тех или иных признаков.
Адрес (адреса), содержащийся в адресной части команды, в наиболее распространенном случае указывает номер ячейки ОЗУ, в которой записано (хранится) участвующее в операции число (его код) – слагаемое, множимое, делимое и т.д., код нечисловой информации (адрес, строка символов, состояние устройства и т.д.) Обобщённо и для простоты обычно говорят: в ЗУ хранятся операнды.
Однако, если говорить о команде как о предписании, то наиболее полная его форма должна указывать не только адреса всех чисел, участвующих в операции, но и адрес ячейки, в которую следует поместить результат, а также адрес источника следующей команды. Это перечисление подводит к необходимости иметь в команде четыре адреса.
И на самом деле, такие четырехадресные команды существуют. С такого «формата» команды «стартовали». Но адресов в команде может быть и меньше, и больше!
Адрес источника следующей команды может отсутствовать, поскольку программу (последовательность команд) наиболее естественно и целесообразно размещать в некотором массиве рядом расположенных ячеек ЗУ. И если команды записаны последовательно (от номера 1 до номера n), то весьма просто аппаратно (счетчиком!) реализовать смену адреса ячейки-источника очередной команды. Заметим, что такой порядок выборки называется естественным , тогда как при задании адреса команды в команде порядок выборки именуется принудительным . Заметим также, что использование естественного порядка выборки команд приводит к необходимости введения специальных команд, изменяющих порядок вычислений (путём изменения содержимого счетчика номеров ячеек команд). Это необходимо для обеспечения алгоритмической вычислимости. При принудительном порядке выборки специальные команды не нужны, т.к. каждая команда «меняет» порядок выборки .
^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.
