Лекции - Архитектура ЭВМ - файл Архитектура ЭВМ Лекции.doc. Структура и форматы команд эвм Что определяется форматом команды компьютера

• 
  команды пересылки данных;
• 
  команды арифметической и логической обработки;
• 
  команды работы со строками;
• 
  команды SIMD;
• 
  команды преобразования;
• 
  команды ввода/вывода;
• 
  команды управления потоком команд.

• 
  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.

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

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 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

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

• 
  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.

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:

1. извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор;
2. сложить сумматор с числом из А2;
3. 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.

Влияние основных характеристик

компьютера на формат команды

Цель работы: изучить взаимосвязь формата команды (размеров поля кода операции и полей адреса) с основными характеристиками ЭВМ (количеством команд, составляющих систему команд ЭВМ, объемом оперативной и регистровой памяти при прямой адресации операндов).

Введение

Современные ЭВМ используют программно-уп­рав­ляе­мый принцип работы. Этот принцип предполагает существование некоторого языка, понятного ЭВМ, с помощью которого мож­но указать характер и последовательность действий ЭВМ.

Существует множество языков программирования, но все они базируются на единственном для каждого типа ЭВМ машинном языке. Машинный язык реализуется аппаратными средствами ЭВМ и состоит из набора команд, с помощью которых можно задать все возможные на данной ЭВМ операции с любыми допустимыми типами данных и режимами их адресации.

Команда – это двоичный код, определяющий тип операции и адреса операндов, над которыми выполняется данная операция, а также указывающая место, куда должен быть помещён результат. Форматом команды называется структура команды, позволяющая распознать ее составные части.

Рассмотрим формат команды, представленный на рис. 1.Формат команды в общем случае состоит из двух типов полей. Одно поле (на рисунке левое) предназначено для хранения двоичного кода, определяющего тип выполняемой операции, или код операции (КОП). Другое (правое) поле Аi используется для установления адресов (i – количество адресов) двоичных кодов, над которыми выполняется операция, и адреса, куда записывается результат.

Рис.1. Обобщенный формат команды

Важной характеристикой команды служит ее длина. В общем случае n ком – количество двоичных разрядов команды, является функцией:

количества команд, составляющих систему команд ЭВМ,

системы кодирования команд,

объёма используемых в ЭВМ запоминающих устройств,

режимов адресации операндов

Она складывается из длины поля кода операции и суммы длин адресных полей:

n ком = n ко п + n адр ,

где n – количество адресных полей в команде.

В поле кода операции фиксируется двоичный код, определяющий тип выполняемой операции (команды). При разработке ЭВМ для каждой команды выбирается свой уникальный двоичный код, который остается неизменным на все время эксплуатации ЭВМ.

Максимальное количество операций (К max), которое может быть закодировано в поле кода операций длиной n КОп, составляет

Тогда по известному количеству команд, составляющих систему команд данной ЭВМ, мож­но определить необходимую длину поля операции:

n ко п ³ log 2 K.

Естественно, что эта величина должна быть минимально возможным целым числом. Так, для ЭВМ, имеющей систему команд из 100 команд, длина поля кода операции составит 7 бит.

Для определения размеров адресных полей команды вначале рассмотрим понятие адреса и операнда, которые используются в определении команды.

Оперативная память (ОП) – это совокупность последовательных ячеек, каждая из которых предназначена для хранения двоичного кода фиксированной разрядности. Все ячейки памяти имеют условные l -разрядные двоичные номера (00...000, 00...001, 00...010 и т.д.). Двоичный код номера ячейки ОП и является её адресом.

Если поле адреса команды содержит просто номер ячейки ЗУ, к которой производится обраще­ние, то длина этого поля определяется следующим образом:

n адр ³ log 2 V ЗУ,

где V ЗУ – объем запоминающего устройства. При этом также необходимо учитывать, что эта величина должна быть целой и минимально возможной при данном условии. Так для указания адреса (номера) любой ячейки ЗУ, состоящей из 300 ячеек, потребуется 9 двоичных разрядов.

Правомерна и другая постановка задачи – определение максимального объема запоминающего устройства (V ЗУ max), к которому можно обратиться при заданной длине поля адреса. В этом случае

При больших объёмах запоминающего устройства прямое указание номера используемой ячейки в адресном поле команды ведёт к существенному увеличению длины команды.

Одним из способов уменьшения длины поля адреса является введение в состав ЭВМ дополнительно специального блока памяти небольшого объема – регистровой памяти (РП). Это запоминающее устройство имеет высокое быстродействие и служит для хранения часто используемой информации: промежуточных результатов вычислений, счетчиков циклов, составляющих адреса при некоторых режимах адресации и т.д. Так как объем РП невелик, адресация ее элементов требует относительно короткого адресного поля. Например, для регистровой памяти объемом 8 регистров требуется всего лишь трехразрядное адресное поле.

Другое направление сокращения длины адресного поля команды состоит в использовании различных режимов адресации. Это направление будет рассмотрено в последующих работах.

На формат команды существенное влияние оказывает система кодирования команд – количество адресов i в адресной части команды. В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ общего назначения имеет двухадресная система команд.

Тогда схема выполнения операции в двухадресной системе команд будет иметь вид:

(А 1)*(А 2)  А 1 , или

(А 1)*(А 2)  А 2 ,

то есть над двумя операндами, расположенными по адресам А 1 и А 2 , выполняется некоторая операция, результат которой записывается на место первого или второго операнда (в зависимости от архитектуры ЭВМ), замещая его.

Формат двухадресной команды представлен на рис.

Рис. Структура двухадресной команды

Для ЭВМ, имеющей в своём состав оперативную и регистровую память, операнды, как и приёмник результата, могут находиться в любом из этих запоминающих устройств. Длина соответствующего адресного поля при этом при этом будет определяться описанным выше способом. Ещё раз подчеркнем, что приведённые формулы определения разрядности поля адреса операнда справедливы лишь при прямой адресации.

Один из операндов может располагаться в одном из адресных полей команды (так называемая непосредственная адресация). В таком случае размер этого поля равен длине операнда.

Влияние других режимов адресации, кроме прямой и непосредственной на формат поля адреса операнда в данной работе не рассматривается.

Порядок выполнения работы

В работе необходимо выполнить два задания:

решить задачу синтеза формата двухадресной команды, исходя из заданных характеристик ЭВМ и

решить задачу анализа формата двухадресной команды с целью определения предельных характеристик ЭВМ.

После запуска программы открывается главное окно программы. Сначала обучаемому необходимо изучить теорию по данному вопросу и нажать кнопку «Изучено» в конце материала (рис.), после чего он попадает в главное окно с уже активной кнопкой «Старт» на вкладках «Задание».

Рис. Окно изучения теории лабораторной работы

Для выполнения задания в тренировочном режиме следует нажать кнопку «Старт». При этом обучаемый в любой момент по кнопке «Теория» может обратиться к теоретическому материалу по данной теме.

Вид экрана при выполнении первого задания представлен на рис.

Рис. Исходное окно задания по синтезу формата команды

Исходными данными для определения формата команды являются:

количество команд, выполняемых ЭВМ (для приведённого на экране задания К=149),

объём оперативной памяти (Vоп = 2048K ячеек),

объём регистровой памяти (Vрп = 41),

длина операнда при непосредственной адресации (L=8).

Необходимо определить форматы команд, использующих различные сочетания операндов:

регистр-регистр,

регистр-память,

память-память,

регистр - непосредственный операнд,

память - непосредственный операнд.

Для всех форматов команды:

n коп  log 2 149.

Ближайшее целое число, удовлетворяющее этому условию, – n коп = 8 бит.

Разрядность поля адреса для прямой адресации операнда в оперативной памяти:

n адр оп  log 2 (2048*2 10)

n адр оп =21 бит.

Разрядность поля адреса для адресации операнда в регистровой памяти:

n адр рп  log 2 41

n адр рп = 6 бит.

Разрядность поля для размещения непосредственного операнда равна длине этого операнда и составляет

n неп = 8 бит.

Таким образом, команды в зависимости от места расположения операндов будут иметь следующий формат:

Полученные расчётные данные необходимо ввести в поле каждой команды. После заполнения каждого поля необходимо нажать кнопку «Fix». При этом в случае ввода неправильного значения данное поле подсвечивается, и обучающая программа предлагает попробовать ввести результат в это поле ещё раз (кнопка «Повтор») (рис.). Такое предложение можно проигнорировать и продолжить заполнять следующие поля.

Рис. Окно тренировочного режима задания по по синтезу формата команды

По окончании ввода во все поля всех команд можно посмотреть правильные результаты, нажав клавишу «Результат».

По клавише «Следующий» можно получить новые исходные данные для этого задания, перейти к выполнению задания 2 на соответствующую вкладку или вернуться на главную форму урока, чтобы перейти к выполнению работы в режиме контрольного тестирования (кнопка «Вернуться»).

Следует иметь в виду, что в режиме контрольного тестирования оценка выставляется по результатам выполнения обоих заданий, поэтому целесообразно сначала выполнить оба задания в тренировочном режиме.

Вид экрана при выполнении второго задания представлен на рис. .

На экране представлены значения длин полей двухадресной команды формата «регистр-память». Исходными данными для определения предельных характеристик ЭВМ являются длины полей команды, отводимых под кодирование кода операции и адресов операндов при прямой адресации регистровой и оперативной памяти.

Необходимо определить максимальные значения следующих характеристик ЭВМ: количество команд в системе команд, объём регистровой и оперативной памяти, к которым может адресовать данная ЭВМ при прямой адресации.

В приведенном на экране задании длина поля, отводимого под код операции, составляет n коп = 5. Длина поля адреса регистровой памяти: n адр рп = 4. Длина поля адреса оперативной памяти: n адр оп = 19 (рис).

Согласно этим данным, максимальное количество команд, которое может входить в систему команд данной ЭВМ, составит

K max = 2 5 = 32 команды.

Максимальное количество адресуемых регистров, которое может содержать ЭВМ, будет равно:

V рп = 2 4 = 16.

Максимальный объем адресуемой оперативной памяти составит

V оп = 2 19 = 2 9 * 2 10 = 512 К ячеек.

При ошибочном вводе какой-либо информации в нужное поле это поле подсвечивается, и обучающая программа предлагает повторить ввод (рис.).

Рис. Окно выполнения задания по анализу формата команды

По клавише «Результат» можно получить правильные ответы на все пункты задания, по клавише «Следующий» получить новые исходные данные для этого задания, по клавише «Вернуться» вернуться на главную форму урока, чтобы перейти к выполнению работы в режиме контрольного тестирования.

В режиме контрольного тестирования необходимо выполнить оба задания (8 пунктов). В задании 1 синтез формата одного формата команды считается одним пунктом. Обучающая программа подсчитывает количество правильно выполненных пунктов и выставляет оценку за работу (рис.).

Рис. Окно оценки результатов выполнения программы в контрольном режиме

Особенности работы программы

В задании 1 ввод требуемой информации можно проводить, передвигая движок на линейки соответствующего пункта задания, или с помощью клавиш «←» и «→» на клавиатуре компьютера. Сформированный результат для каждого поля команды необходимо зафиксировать кнопкой «Fix».

Клавиша «Результат» показывает в тренировочном режиме правильные значения сразу для всех полей всех команд. Поэтому её целесообразно нажимать только после полного заполнения всей формы синтеза формата команды.

В задании 2 при указании максимального объёма ОЗУ необходимо указывать величину, составляющую 2 10 ячеек, т.е. из полученного расчётного значения для этого поля при вводе необходимо вычесть 10.

При выполнении работы в контрольном режиме правильные ответы на все пункты задания можно посмотреть после получения итоговой оценки, переключаясь между окнами «Задание 1» и «Задание 2».

Выдаваемые программой оценки являются ориентировочными. Ввиду относительной простоты выполняемой работы зачёт целесообразно выставлять лишь при получении правильных ответов на ВСЕ пункты задания.

Вопросы и задания к работе

Какое количество адресных полей может быть задано в команде? Перечислите их назначение при различной адресности системы команд, представьте схемы выполнения операции.

Какие характеристики компьютера определяют разрядность полей ко­манды? Укажите эти зависимости.

Какую информацию должна содержать команда?

Что такое "Формат команды"?

От каких характеристик ЭВМ зависит длина команды?

Какие преимущества и недостатки имеют команды с различным количеством адресных полей?

Каково назначение отдельных полей команды?

От каких характеристик ЭВМ зависит длина поля команды?

От каких характеристик ЭВМ зависит длина поля адреса?

Чем определяется длина поля непосредственного операнда?

Как изменится длина адресного поля команды, содержащее прямой адрес ячейки оперативной памяти, если объём ОЗУ увеличится в 2 раза? Показать математически.

Как изменится длина поля кода операции, если количество команд в системе команд уменьшится в 2 раза? Показать математически.

Как изменится длина двухадресной команды формата «регистр-регистр», если количество регистров в ЭВМ увеличится в 4 раза? Показать математически.

Сколько команд может содержать система команд ЭВМ, если длина поля кода операции составляет 8 бит? Указать диапазон, а не только максимальное количество.

Какова должна быть разрядность поля адреса при непосредственной адресации, если максимальное значение операнда равно 1000 (числа без знака)?

Какова должна быть разрядность поля адреса при непосредственной адресации, если |X|<1000 (числа со знаком)?

Федеральное агентство по образованию

Рособразование

Архангельский государственный технический университет

Вычислительных систем и телекоммуникаций

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

Архитектура ЭВМ и систем

Система команд ЭВМ

Шевченко Олег Николаевич

Факультет ОНОТ, курс 3, группа 7261

Руководитель О.Л. Полончик

Архангельск 2009 г.

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

ФОРМАТ КОМАНД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

МЕТОДЫ ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИИ

1 Регистровый метод адресации

2 Автоинкрементный метод адресации

МЕТОДЫ КОСВЕННОЙ АДРЕСАЦИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЧЕТЧИКА КОМАНД (РС) В КАЧЕСТВЕ РОН

1 Непосредственный метод адресации

2 Абсолютный метод адресации

3 Относительный метод адресации

4 Косвенно-относительный метод адресации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

С середины 60-х годов кардинально изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие - архитектура ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих типов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает обширный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов самыми главными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Команды ЭВМ, предназначенные для обработки данных, помимо кода выполняемой операции должны тем или иным образом указывать местонахождение (адрес) этих данных (операндов) в памяти ЭВМ. В связи с этим большое значение имеют реализованные в конкретной ЭВМ методы адресации операндов, т.е. способы указания в машинной команде местонахождения операндов в памяти ЭВМ.

Способы адресации можно классифицировать на прямые и косвенные. При прямом способе адресации исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения указанного в команде и содержимого какого-либо регистра.

Косвенный способ адресации предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес.

При реализации методов адресации ЭВМ существенным образом используются регистры центрального процессора (РОН). Далее мы будем использовать термин адресный регистр для обозначения любого регистра центрального процессора, содержащего адрес.

2. ФОРМАТ КОМАНД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Форматом команды называется заранее обговоренная структура полей в её кодах, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.

В командах обработки данных может быть указано местонахождение от одного до нескольких операндов, используемых при выполнении конкретной операции. Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на:

Безадресные

Одноадресные, двухадресные и более

При этом обычно различают операнд-источник и операнд-приемник. Операнд - источник это содержимое ячейки памяти или регистра, которое используется при выполнении указанной в команде операции и которое в процессе выполнения команды не изменяется. Операнд-приемник это ячейка памяти или РОН, содержимое которых также может быть использовано при выполнении команды и в которые помещается результат выполненной операции (приемник результата). Ниже в приведенных примерах адресат-источник обозначается буквами src или S (source - источник), а операнд-приемник dst или D (destination - приемник). Поле команды, содержащее код операции, будет обозначаться аббревиатурой КОП.

Формат одноадресных команд (HALT, CLR …) имеет следующий вид:

Рисунок 1 - Формат одноадресных команд

Разряды 15-06 содержат код операции, который определяет выполняемую команду. Разряды 05-00 образуют шестиразрядное поле, именуемое полем адресации операнда приемника, которое в свою очередь состоит из двух подполей:

1) Разряды 02-00 определяют один из восьми РОН, который использует данная команда;

2) Разряды 05-03 определяют способ использования выбранного регистра (метод адресации). Причем, разряд 03 определяет прямую или косвенную адресации.

Операции над двумя операндами (такие, как сложение, пересылка, сравнение) выполняются с помощью команд, в которых задаются два адреса. Задание разрядов в полях адресации операндов источника и приемника определяют используемые методы адресации и регистры общего назначения. Формат двухадресной команды имеет следующий вид:

Рисунок 2 - формат двухадресной команды

Поле адресации операнда источника используется для выборки операнда источника. Поле адресации операнда приемника используется для выборки операнда приемника и занесения результата. Например, по команде ADD A,B содержимое ячейки "A" (операнда источника) складывается с содержимым ячейки "B" (операнд приемника). После выполнения операции сложения в ячейке "В" будет находиться результат операции, а содержимое ячейки "A" не изменится.

3. МЕТОДЫ ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИИ

На рисунке 3 показаны последовательности операций при выполнении команд с каждым из четырех методов прямой адресации. При регистровом методе адресации операнд находится в выбранном регистре, который может быть использован как накопитель. Так как РОН аппаратно реализованы в ИС центрального процессора, они обладают более высоким быстродействием, чем любая другая память, работающая под управлением процессора. Это их преимущество особенно проявляется при операциях с переменными, к которым необходимо часто обращаться.

Рисунок 3 - методы прямой адресации

3.1 Регистровый метод адресации

При регистровом методе адресации операнд находится непосредственно в указанном в команде регистре.

Таблица 1

Регистровый метод адресации

Действие: к содержимому R3 прибавляется единица.

3.2 Автоинкрементный метод адресации

При автоинкрементном методе адресации содержимое выбранного регистра является адресом операнда. После выборки операнда содержимое этого регистра автоматически наращивается для обеспечения возможности обращения в дальнейшем к последующей ячейке. При байтовых операциях наращивание происходит на 1, при операциях с полными словами - на 2. Содержимое R6, R7 всегда наращивается на 2. Автоинкрементный метод адресации особенно удобен при операциях с массивами и стеками. С помощью этого метода можно выбрать элемент таблицы, а затем нарастить указатель для обращения к следующему элементу в таблице. Хотя этот метод наиболее удобен при работе с таблицами, он может быть использован как общий метод для различных целей.

Таблица 2

Автоинкрементный метод адресации

3.3 Автодекрементный метод

Также используется для обработки табулированных данных. Однако в отличие от автоинкрементного метода, адресация к ячейкам массива идет в противоположном направлении. При этом методе адресации содержимое выбранного РОН вначале уменьшается (для байтовых команд - на единицу, для команд с полными словами - на два), а затем используется как исполнительный адрес.

Сочетание автоинкрементного и автодекрементного методов адресации может быть эффективно использовано при работе со стеком.

Таблица 3

Автодекрементный метод адресации

Действие: содержимое R0 уменьшается на 2 и используется как исполнительный адрес. К операнду, выбранному из ячейки по этому адресу, прибавляется единица.

архитектура аппаратный команда адресация

Таблица 3.1

Автодекрементный метод адресации

3.4 Индексный метод адресации

При индексном методе адресации исполнительный адрес определяется как сумма содержимого выбранного РОН с индексным словом. Этот метод позволяет осуществлять произвольный доступ к элементам структуры данных. Индексное слово содержится в следующей за командным словом ячейке памяти. При индексном методе адресации содержимое выбранного регистра может быть использовано в качестве базы для вычисления серии адресов.

Таблица 4

Индексный метод адресации

5. МЕТОДЫ КОСВЕННОЙ АДРЕСАЦИИ

Четыре основных метода могут быть использованы в комбинации с косвенной адресацией. Если при регистровом методе содержимое выбранного регистра является операндом, то при косвенно - регистровом методе это содержимое является адресом операнда. При трех других косвенных методах вычисленный адрес позволяет выбрать только адрес операнда, а не сам операнд. Эти методы используются при обращении к таблицам, состоящим из адресов, а не из операндов.

Рисунок 4 - методы косвенной адресации

Таблица 5

Индексный метод адресации

Действие: содержимое ячейки, адрес которой находится в R2, используется как адрес операнда, операнд увеличивается на единицу, а содержимое R2 - на 2.

Таблица 5.1

Индексный метод адресации

После выполнения операции

6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЧЕТЧИКА КОМАНД (РС) В КАЧЕСТВЕ РОН

Счетчик команд R7 может быть использован со всеми методами адресации, применяемыми в микро-ЭВМ. Однако наиболее эффективно он используется только с четырьмя. Эти методы адресации получили специальные наименования: непосредственный, абсолютный, относительный и косвенно - относительный. Использование этих методов дает возможность построения программ, работоспособность которых не теряется при перемещении их в любую область памяти. В таблице ниже приведены методы адресации с использованием R7. Необходимо понимать, что эти четыре метода аналогичны описанным выше, но в качестве РОН используется R7. Методы адресации с использованием счетчика команд в значительной мере упрощают обработку данных, не сформированных в массивы.

Таблица 6

Методы адресации

6.1

Непосредственный метод адресации имеет символическое обозначение #N. Он эквивалентен автоинкрементному методу адресации через счетчик команд R7. Этот метод обеспечивает экономию времени программиста при составлении программы за счет возможности помещения константы в ячейку памяти вслед за командным словом.

Таблица 7

Непосредственный метод адресации

Действие: содержимое R0 складывается с числом 10. Результат записывается в R0.

Таблица 7.1

Непосредственный метод адресации

После выборки команды содержимое R7 (адрес этой команды) увеличивается на 2. Так в поле адреса операнда источника записан код 27, R7 используется как указатель адреса при выборке операнда, после чего содержимое его вновь увеличивается на 2 для указания на следующую команду.

6.2 Абсолютный метод адресации

Абсолютный метод адресации имеет символическое обозначение @#A. Он эквивалентен косвенно-автоинкрементной адресации через R7. Этот метод удобен тем, что адрес операнда является его абсолютным адресом (т.е. он остается постоянным независимо от места расположения программы в памяти).

Таблица 8

Абсолютный метод адресации

6.3 Относительный метод адресации

Относительный метод адресации имеет символическое обозначение X(PC) или А, где X-исполнительный адрес по отношению к счетчику команд. Этот метод эквивалентен индексной адресации через R7. Индексное слово хранится в следующей за командным словом ячейке и, будучи сложенным с содержимым R7, дает адрес операнда. Этот метод полезен при написании программы, которая может располагаться в различных местах памяти, так как адрес операнда фиксируется по отношению к содержимому R7. При необходимости перемещения программы в памяти операнд перемещается на то же число ячеек, что и сама команда.

Таблица 9

Относительный метод адресации

Действие: к операнду, адрес которого определяется сложением содержимого R7 и индексного слова (000054), прибавляется "1".

Таблица 9.1

Относительный метод адресации

6.4 Косвенно-относительный метод адресации

Косвенно-относительный метод адресации имеет символическое обозначение @X(PC) или @A, где X-адрес ячейки, содержащей исполнительный адрес, по отношению к счетчику команд. Этот метод эквивалентен косвенно - индексной адресации через СК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и т. д. Важно несколько другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативные решения реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое действие они оказывают на общие характеристики компьютера. Другими словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Таненбаум, Эндрю. Архитектура компьютера, Питер, 2007.

2. А.С. Коваль, А.В. Сычев. Архитектура ЭВМ и систем, Воронеж 2007

Френк Т.С. PDP-11: Архитектура и программирование, Радио и связь, 1986.

4. Википедия -

Команды ЭВМ представляют собой код определяющий операцию и данные участвующие в операции, кроме этого в явной или неявной форме команда содержит информацию об адресе, куда помещаются результат и адресе следующей команды.

По характеру выполняемых операций выделяются следующие группы команд:

1) Команды арифметических операций для чисел с фиксированной или плавающей запятой.

2) Команды десятичной арифметики.

3) Команды передачи данных

4) Команды операций ввода/вывода

5) Команды логических операций

6) Команды передачи управления (управление циклом, условный и безусловный переход)

………………………………………… А информация об адресах в ячейках памяти, в которых они находятся. Команда состоит из операционной части (код операции) и адресной части (информация о местонахождении операндов и месте хранения результатов)

А1-А2: адреса операндов

А3: адрес результата

А4: адрес следующей команды

Команда содержит в явном виде всю информацию его задаваемой операции. Существует принудительная адресация. Такая структура приводит к большой длине команды и неприемлема при прямой адресации операндов. В ряде случаев после выполнения команды расположенных по адресу К, и занимающие L ячеек памяти выполняется команда из ячейки К+L. Такой порядок выборки команд является естественным. Нарушается командами передачи управления. В этом случае отпадает необходимость в явном виде указывать А4.

В трехадресной команде:

А1-А2: адреса операндов

А3: адрес результата

Можно условиться, что результат помещается на место одного из операндов, получаем двухадресную команду, где для результата используется подразумеваемый адрес.

В одноадресной команде: подразумеваемые адреса имеют и результат операции и один из операндов. Один из операндов указывается адресом в команде, в качестве второго используется содержимое регистра процессора (аккумулятора). Результат записывается в тот же регистр.

В некоторых случаях используются безадресные команды, когда подразумевается адреса и операндов и результата (например стековая память). Адресные поля в большинстве случаев содержат не сами адреса а информацию, позволяющую определить действительные или исполнительные адреса операндов. В соответствии с используемыми способами адресации.

Способы адресации.

Существует два принципа поиска операндов в памяти: ассоциативный и адресный. Ассоциативный поиск операнда (поиск по содержанию ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти, для выявления кодов, содержащий ассоциативный признак заданный командой.

Адресный поиск предполагает, что искомый операнд извлекается из ячейки, номер которой формируется на основе информации в адресном поле команды.

Различают понятия исполнительного адреса и адресного кода. Адресный код – информация об адресе операнда, содержащегося в команде. Исполнительный адрес – номер ячейки памяти, к которой фактически производится обращение (по сути – физический адрес).

В ЭВМ адресный код как правило не совпадает с исполнительным адресом. Способ адресации – это способ формирования исполнительного адреса операнда А и по адресному коду команды А к ­­.

В системах команд ЭВМ часто предусматривается возможность использования нескольких способов адресации операндов для одной и той же операции. В этом случае в системе команд выделяется специальное поле – указатель адресации.

Классификация способов адресации по наличию адресной информации в команде. Различают явную и неявную адресацию. При явной адресации операнда в команде есть поле адреса операнда, в котором задается адресный код А к, при неявной адресации адресное поле в команде отсутствует, адрес операнда подразумевается кодом операции. Метод неявной адресации используется с целью уменьшения длины команды за счет исключения части адресов.