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, поэтому далее рассмотрим этот вопрос.
Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага.
В коде команды выделяются определенные разряды (поля) для размещения сведений:
О типе операции,
Адресов ячеек оперативной памяти, в которых хранятся обрабатываемые данные,
Адреса ячеек памяти, куда будет записываться результат выполнения операции.
Заранее обговоренная структура полей, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода команды называется Форматом команды .
Примеры форматов команд приведены на рисунке 5.
Рисунок 5
Главным элементом кода команды является код операции (КОП), что определяет, какие действия будут выполнены по данной команде. Под него выделяется N старших разрядов формата.
В остальных разрядах размещаются А1 и А2 - адреса операндов, А3 - адрес результата.
Распределение полей в формате команды может изменяться при смене способа адресации.
Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на безадресные; одно-, двух-, трехадресные.
Вспомним, что в коде команды содержится информация о данных, над которым нужно совершить некоторую операцию. Эти данные называют операндами. Обычно операнды содержатся в оперативной или регистровой памяти ЭВМ. Способ поиска операндов в памяти также определяет формат команды.
Существуют 2 различных принципа поисков операндов в памяти: ассоциативный и адресный:
- Ассоциативный поиск (поиск по содержанию запоминающей ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кода, содержащего заданный командой ассоциативный признак.
- Адресный поиск предполагает, что операнд находится по адресу, указанному в адресном поле команд.
Различают исполнительный адрес операнда и адресный код команды.
Исполнительным адресом операнда называется двоичный код номера ячейки памяти, по которому будет записан или считан операнд.
Адресным кодом команды называется двоичный код в адресном поле команды, с помощью которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда. В ЭВМ адресный код и исполнительный адрес не совпадают, поэтому способ адресации можно определить, как способ формирования исполнительного адреса по адресному коду команды.
Эти понятия в дальнейшем будем использовать в описании способов адресации к операндам.
Способы адресации к операндам в зависимости от типа поиска операндов в памяти классифицируют:
1) по наличию адресной информации в команде на:
- явную адресацию. При таком способев коде команде есть поле адреса операнда;
- неявнуюадресацию. При таком способе адресное поле в команде отсутствует, а адрес операнда подразумевается кодом операции. Например, из команды может быть исключен адрес приемника адресата, при этом подразумевается, что результат записывается на месте второго операнда.
2) по кратности обращения в оперативную память:
- непосредственную адресацию (direct addressing). При непосредственной адресации операнд располагается непосредственно в адресном поле команды (рисунок 6).
Рисунок 6
- прямую адресацию (immediate addressing). При прямой адресации обращение за операндом производится по адресному коду в поле команды. При этом исполнительный адрес совпадает с адресом кода команды. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 7).
Рисунок 7
- косвенную адресацию (indirect addressing). При косвенной адресации код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится не сам операнд, а его адрес, называемый указателем. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 8).
Рисунок 7
3) по способу формирования адресов ячеек памяти:
- Абсолютная адресация предполагают, что двоичный код адреса ячейки памяти может быть целиком извлечен либо из адресного поля команды, либо из какой-нибудь другой ячейки в случае косвенной адресации.
- Относительная адресация предполагают, что двоичный код операнда образуется из нескольких составляющих:
Б - код базы;
И - код индекса;
С - код смещения.
Эти составляющие используются в различных сочетаниях.
Виды относительной адресации:
Рисунок 9
Для формирования адреса операнда используется регистровая память.
Адрес i -операнда в массиве определяется как сумма начального адреса массива операнда, задаваемого смещением S, и индекса i , записанного в одном из регистров регистровой памяти, называемым индексным регистром.
Адрес индексного регистра задается в команде полем адреса индекса Аи.
В каждом i-том цикле содержимое индексного регистра изменяется на постоянную величину, как правило, это 1.
Для работы программ с массивами, требующими однотипных операций над элементами массива, удобно использовать такой тип адресации
2) Автоиндексная адресация. При автоиндексации косвенный адрес, находящийся в регистре РП, автоматически увеличивается (автоинкрементная адресация), или уменьшается (автодекрементная адресация) на постоянную величину до или после выполнения операции.
3) Стековая адресация . Стековая память широко используется в современных ЭВМ. Хотя адрес обращения в стек отсутствует в команде, он формируется схемой управления (рисунок 9):
Рисунок 9
Для чтения записи доступен только один регистр - вершина стека.
Этот способ адресации используется, в частности, системой прерывания программ при вызовах подпрограмм.
Стековая память реализуется на основе обычной памяти с использованием указателя стека и автоиндексной адресации. Логически ячейки памяти, отводимые под стек, организованы так, чтобы считывание последнего записанного адреса производилось первым, а первого записанного адреса производилось последним. Такая логическая организация формируется специальным счётчиком. Этот счётчик называется указателем стека SP – это регистр микропроцессора. Ячейка памяти, в которую в данный момент может быть записан, например адрес возврата из подпрограммы, называется вершиной стека . Количество ячеек памяти, предназначенных для организации стека, называется глубиной стека . Последняя ячейка памяти, в которую можно производить запись называется дном стека . Запись в стек производится с использованием автодекрементной адресации, а чтение - с использованием автоинкрементной адресации (рисунок 10).
Рисунок 10
Пример. Вызов подпрограммы, написанной на языке С.
В языке С подпрограммы называются функциями. Функция может иметь аргументы и локальные переменные, т. е. переменные, существующие только в процессе выполнения функции. Предположим, функция зависит от двух входных аргументов х и у целого типа и использует три локальные переменные а, b и с также целого типа. Функция возвращает целое значение.
Подпрограмма:
Основная программа:
Например, в определённом месте программы вызывается функция f с аргументами х = 2, у = 3. Вызывающая программа помещает фактические значения аргументов х и у функции f в стек, при этом наверху стека лежит первый аргумент функции, под ним - второй аргумент. При выполнении инструкции вызова функции вверх стека помещается также адрес возврата. В начале работы функции f стек имеет следующий вид:
Перед выполнением функция f должна захватить в стеке область памяти под свои локальные переменные а, b, с.
Множество реализуемых машинных действий образует её систему 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.
Обмен между регистрами процессора,
Процессора и оперативной памятью,
Процессора и периферийными установками.
2. Арифметические операции. К основным арифметическим операциям обычно относятся сложение и вычитание (последняя чаще всего сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным алгоритмам.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Например, операции сравнение или известные логические операции И, ИЛИ, НЕ. 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 относят 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.
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. Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, 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.
Лекция 11 ОСНОВНЫЕ КОМАНДЫ ЭВМ Классификация команд по различным признакам Структура команд ЭВМ Команды передачи данных Команды обработки данных Команды передачи управления Команды для работы с подпрограммами. Стеки. Прочие команды ЭВМ.
Система команд ЭВМ Все разнообразие решаемых на ЭВМ задач реализуется с помощью небольшого набора очень простых команд. Система команд у типичной ЭВМ включает в себя всего 60 -150 базовых команд. Все команды в основном служат для выполнения очень простых действий, таких, как прочитать, запомнить, сложить, сдвинуть, сравнить и т. д. Интеллектуальность ЭВМ достигается за счет того, что ЭВМ способна выполнять программы, состоящие из большого числа таких простых действий с огромной, не достижимой для человека скоростью. При описании системы команд ЭВМ обычно принято классифицировать команды по следующим признакам.
Классификация команд ЭВМ По функциональному назначению Команды передачи данных Команды обработки данных Команды передачи управления Дополнительные (прочие) По количеству адресов Нульадресные или безадресные С одним адресом С двумя адресами С тремя адресами По способу кодирования операции По длине С фиксированной длиной кода операции С переменной длиной кода операции По способу адресации Один байт (слово) Два байта (слова) Три байта (слова)
Код операции а 1 а 2 а 3 - Трехадресная команда а 1, а 2 – адреса ячеек (регистров), где находятся числа, участвующие в операции (операнды) а 3 – адрес ячейки оперативной памяти, куда нужно поместить результат Код операции а 1 а 2 - Двухадресная команда Результат записывается в ячейку а 2 Код операции а 1 - Одноадресная команда а 1 – адрес ячейки, где хранится число участвующее в операции или адрес ячейки, где записывается результат Код операции - Нуль адресная команда Все операнды в регистре ЦП
Команды передачи данных Данная группа команд включает в себя подгруппы команд передачи кодов между регистрами внутри процессора, из регистров процессора в память, из памяти в регистры процессора, из одних ячеек памяти в другие и передачи данных между процессором и портами внешних устройств. Отдельную подгруппу составляют команды работы со стеком. Они позволяют включить данные в стек для временного хранения и извлекать данные из стека при необходимости их использования.
Команды обработки данных Данную группу команд с точки зрения выполняемых над данными операций можно подразделить на арифметические (сложить, вычесть, умножить, сравнить), логические (операции И, ИЛИ, НЕ и т. д.) и команды сдвига. Команды этого типа могут иметь один или два операнда. Операнды могут храниться к регистрах центрального процессора, в памяти или в самой команде.
Результат операции формируется в регистре-приемнике или в специализированном регистреаккумуляторе. Команды данной группы формируют также признаки результатов, устанавливаемые в регистре флагов процессора: перенос из старшего разряда, переполнение, нулевой результат и др.
Подробнее о команде сравнения Обычно для сравнения двух чисел процессор выполняет операцию вычитания. По результату вычитания устанавливаются флаги во флаговом регистре. Очевидно, что если сравниваемые числа равны, результат вычитания будет нулевым и в регистре установится флаг нулевого результата. Если первое из сравниваемых чисел больше - результат вычитания будет отрицательным и установится флаг отрицательного результата. Результат вычитания не сохраняется в памяти, поскольку по состоянию флагового регистра можно судить о результатах сравнения чисел.
Команды передачи управления Они имеют важное значение, так как используются для изменения естественного порядка следования команд и организации циклических участков в программах. Простейшей командой передачи управления является команда безусловного перехода JMP , которая загружает адрес перехода, указанный в команде, в программный счетчик. Команды условного перехода проверяют указанное в команде условие и модифицируют программный счетчик, если условие истинно.
Src="http://present5.com/presentation/3/-29919247_13569617.pdf-img/-29919247_13569617.pdf-11.jpg" alt="Пример команды условного перехода Оператор IF (A>B) then go to L некоторого языка"> Пример команды условного перехода Оператор IF (A>B) then go to L некоторого языка высокого уровня может быть реализован двумя командами ЭВМ: СРАВНИТЬ А и В ПЕРЕЙТИ ЕСЛИ БОЛЬШЕ К АДРЕСУ L Если А>В, то результат вычитания будет положителен и соответственно флаг знака во флаговом регистре не установится. Вторая команда (условный переход) проверяет состояние флага знака и, если он не установлен, модифицирует программный счетчик так, чтобы его значение указывало на адрес L.
Организация подпрограмм В программировании широко используется такой прием, как организация подпрограмм. Подпрограмма описывается один раз, а вызываться может из различных мест программы неоднократно. Подпрограмма в процессе своей работы может вызвать другую. После того как подпрограмма закончила свою работу, управление должно быть передано на команду, следующую в памяти сразу за командой обращения к этой подпрограмме. Адрес команды, на которую управление передается после окончания работы подпрограммы, называется адресом возврата.
Где надо хранить адрес возврата? Для того, чтобы начать выполнять подпрограмму, в программный счетчик необходимо загрузить адрес первой команды подпрограммы. Для осуществления возврата из подпрограммы необходимо запомнить в каком-то месте адрес возврата. Можно, например, сохранить адрес возврата в одном из регистров процессора. Такой способ сохранения адреса возврата очень прост и легко реализуется. Однако часто встречаются подпрограммы, которые вызывают другие подпрограммы. Пусть основная программа вызвала подпрограмму А. Она в свою очередь обратилась к подпрограмме В. Если адрес возврата для подпрограммы А хранится в регистре процессора, то куда размещать адрес возврата при вызове подпрограммы В?
Обобщенный алгоритм функционирования фон – неймановской ЭВМ Инициализация Выборка команды Увеличение программного счетчика Дешифрация и выполнение команды Нет Команда «Остановка процессора» Да Инициализация
Понятие стека Большинство ЭВМ используют аппаратно поддерживаемую структуру данных, называемую стеком. Стек - это структура данных, организованная по принципу: последним вошел - первым вышел, т. е. последние записанные в стек данные извлекаются из него первыми. В переводе с англ. stack - стопка. Аналогом стека может служить стопка тарелок. Положить тарелку в стопку можно только сверху, извлечь без проблем опятьтаки только верхнюю тарелку.
Организация стека 1. В ЭВМ для организации стека выделяется область оперативной памяти, а для ее адресации и доступа к стеку используется регистр- указатель стека. 2. Регистр -указатель стека хранит адрес ячейки памяти, содержащей последнее помещенное в стек значение. 3. При записи числа в стек указатель стека модифицируется так, чтобы он указывал на следующую свободную ячейку, и в нее записываются данные.
4. При извлечении из стека данные считываются из той ячейки ОП, на которую показывает указатель, затем указатель стека модифицируется так, чтобы указывать на предпоследнее сохраненное в стеке значение. 5. Обычно стеки растут в сторону уменьшения адресов, т. е. при записи числа указатель стека уменьшается, при извлечении числа из стека - увеличивается.
Команды для работы с подпрограммами. Стеки Стек = ячейки ОП + регистр - указатель стека (АЛУ ЦП) Регистр - указатель стека хранит адрес ячейки ОП, в которой содержится последний помещенный в стек адрес возврата Структура данных стека на примере А) Начальное состояние: стек пустой Ячейки ОП Адреса ячеек 1000 Указатель стека 998 996 Б) В стек записаны два адреса возврата: 1234 и 5678 1234 1000 Указатель стека 5678 998 Запись адресов возврата 996 В) Из стека извлечен один адрес, последний Указатель стека 1234 1000 998 996 Считывание 1000
Src="http://сайт/presentation/3/-29919247_13569617.pdf-img/-29919247_13569617.pdf-19.jpg" alt="Работа команды вызова подпрограмм САLL 1. Когда процессор считывает из памяти команду САLL"> Работа команды вызова подпрограмм САLL 1. Когда процессор считывает из памяти команду САLL , программный счетчик увеличивается и показывает на команду, следующую за командой САLL. То есть программный счетчик теперь содержит адрес возврата, с которого должно продолжиться выполнение основной программы после окончания работы подпрограммы. 2. При выполнении обращения к подпрограмме процессор сохраняет содержимое программного счетчика в стеке, точнее, в его ячейках ОП. 3. Далее в программный счетчик загружается адрес команды, с которого начинается подпрограмма. Процессор приступает к выполнению подпрограммы.
Работа команды возврата RETURN 1. Для возврата из подпрограммы в основную программу служат команды возврата RETURN. 2. Команда возврата из подпрограммы извлекает из стека сохраненный в нем адрес возврата помещают его в программный счетчик. 3. Процессор приступает к выполнению основной программы. 4. Если имели место несколько вложенных вызовов подпрограмм, то возврат произойдет по адресу возврата, сохраненному последнего вызова, (так как для хранения адресов возврата используется стек и последний сохраненный адрес возврата будет вызван первым).
Прочие команды ЭВМ В ЭВМ могут быть дополнительные (специальные) команды. К их числу можно отнести команды остановки центрального процессора, сброса внешних устройств, установки или сброса отдельных признаков и т. д. Итак, на этой лекции были кратко рассмотрены базовые команды, используемые в типичных ЭВМ, и действия реализуемые этими командами.
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 для вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиямлбычно 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 отображаемую 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 со 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.
Ч асто 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 это бывает приемлемо: 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.
П одводя 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.