Основы теории. Машинная команда представляет собой закодированное по определенным правилам указание микропроцессору на выполнение некоторой операции или действия

Машинная команда представляет собой закодированное по определенным правилам указание микропроцессору на выполнение некоторой операции или действия. Машинная команда выполняется процессором автоматически и не требует каких-либо дополнительных указаний и пояснений. Показанная на рис. 1 последовательность этапов представляет собой пример незакодированных машинных команд.

Рисунок 1 - Пример незакодированных машинных команд

 

Кодированное представление машинной команды обычно состоит из двух частей: поля кода операции (op-codefield – сокращение от operationcodefield) и поля операнда (operandfield). Битовая комбинация, расположенная в поле кода операции, обозначает, какая из элементарных операций, таких как операции сохранения, сдвига, XOR или перехода, запрашивается командой. Набор битов, находящийся в поле операнда, содержит подробные сведения об объектах, участвующих в операции, определенной кодом операции. Например, в случае команды сохранения в поле операнда содержится информация о том, в каком регистре находятся данные, которые нужно сохранить, и какая ячейка памяти должна получить эти данные. Структура машинной команды представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Структура машинной команды

 

Список команд, которые должен уметь декодировать и выполнять центральный процессор, очень короткий. На самом деле одна из замечательных сторон вычислительной техники состоит в том, что если машина может выполнять определенные простые, но тщательно подобранные задания, то добавление каких-либо еще возможностей не обязательно улучшит базовые характеристики машины. Другими словами, дополнительные возможности могут сделать машину более удобной в использовании, но они ничего не добавят к основным способностям машины.

Различают два подхода к тому, каким должен быть центральный процессор. При первом подходе считается, что центральный процессор должен выполнять минимальный набор машинных команд. Результатом такого подхода является вычислительная машина с сокращенным набором команд (ReducedInstructionSetComputer — RISC-машина). В защиту RISC-процессора приводится аргумент, что такой процессор является эффективным и быстродействующим. В то же время, есть сторонники центрального процессора, способного выполнять большое количество сложных команд, даже если многие из них избыточны. Результатом этого подхода является вычислительная машина со сложным набором команд (ComplexInstructionSetComputer — CISC-машина). В защиту CISC-архитектуры приводят аргумент, что более сложный процессор легче программировать, так как можно обойтись одной командой для выполнения задачи, которая в RISC-процессоре потребовала бы длинной последовательности команд.Для простоты изложения мы будем рассматривать RISC-процессор.

При изучении системы машинных команд полезно будет разделить их на три категории: команды передачи данных, арифметические и логические команды, а также команды управления.

Команды передачи данных включают те команды, при выполнении которых происходит перемещение данных из одного места в другое. Действия, выполняемые на этапах 1, 2 и 4 на рис. 1, относятся к этой категории. Как и в случае с основной памятью, наиболее типичной является ситуация, когда перемещаемые данные сохраняются и в месте их исходного расположения. Процедура выполнения команд передачи данных больше напоминает копирование информации с одного места в другое, а не обычное их перемещение. Поэтому чаще всего употребляемые названия команд пересылка (transfer) или перемещение (move) следует считать выбранными неверно. Более подходящими названиями для этих команд можно считать копирование (copy) или дублирование (clone).

Поскольку мы коснулись терминологии, то следует упомянуть, что для передачи данных между центральным процессором и основной памятью существуют специальные термины. Требование заполнить регистр общего назначения содержимым ячейки памяти обычно называется командой загрузки (load), и наоборот, требование переместить содержимое регистра в ячейкуосновной памяти называется командой сохранения(store). Этапы 1 и 2 на рис.1 являются командами загрузки, а этап 4 — командой сохранения.

Важная группа команд, входящая в команды передачи данных, включает в себя инструкции для связи с внешними устройствами центрального процессора(принтерами, клавиатурой, монитором, дисководами и т. д.). Поскольку с помощью этих команд осуществляются процессы ввода-вывода из него, они обычно называются командами ввода-вывода. Их иногда выделяют в отдельный класс, однако, для выполнения операций ввода-вывода обычно используются те же команды, с помощью которых выполняется передача данных между центральным процессором и основной памятью машины.

К арифметическим и логическим командам относятся те команды, которые указывают блоку управления на необходимость запросить выполнение определенных действий арифметико-логического блока. На рис. 1 к этой категории относятся действия, выполняемые на этапе 3. Как следует из самого названия арифметико-логического блока, он также предусматривает выполнение группы операций, отличающихся от основных арифметических действий. К ним относятся обычные логические операции AND, OR и XOR. Эти операции часто используются для того, чтобы манипулировать отдельными битами регистра, не затрагивая остальных.

Другая группа операций, реализованная в большинстве типов арифметико-логических устройств, состоит из команд, которые позволяют перемещать содержимое регистров влево или вправо в пределах самих этих регистров. Они называются операциями сдвига (shift) или циклического сдвига (rotate) в зависимости то того, что происходит с битами, выходящими при перемещении содержимого регистра за его пределы. При операции сдвига эти биты просто отбрасываются, а при операции циклического сдвига биты, покидающие пределы регистра с одного конца, помещаются во вновь вставляемые позиции на другом конце регистра.

Команды управления. В эту группу входят команды, предназначенные для управления ходом выполнения программы, а не обработки каких-либо данных. На рис. 1 к этой категории относятся действия, выполняемые на этапе 5, хотя это очень простой пример. Эта группа включает наиболее интересные машинные команды, такие как команды перехода (jump) или ветвления (branch).Они используются для перенаправления управляющего блока на выполнение команды, отличной от той, которая является очередной в выполняемой последовательности. Команды перехода разделяются на команды безусловного и условного перехода. Примером первых может быть инструкция «перейти к этапу 5», примером второй — «если полученное значение равно 0, тогда перейти к этапу 5». Различие заключается в том, что условный переход осуществляется только тогда, когда выполняется условие. В качестве примера можно привести последовательность команд, представленную на рис. 3, которая является реализацией алгоритма деления двух чисел. В этом примере этап 3 содержит команду условного перехода, предназначенную для предотвращения операции деления на нуль.

Рисунок 3 - Алгоритм деления двух чисел, сохраняемых в основной памяти