Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Рособразование

Архангельский государственный технический университет

Вычислительных систем и телекоммуникаций

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

Архитектура ЭВМ и систем

на тему

Система команд ЭВМ

Шевченко Олег Николаевич

Факультет ОНОТ, курс 3, группа 7261

Руководитель О.Л. Полончик

Архангельск 2009 г.

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
• 2. ФОРМАТ КОМАНД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
• 3. МЕТОДЫ ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИИ
• 3.3 Автодекрементный метод
• 3.4 Индексный метод адресации
• 5. МЕТОДЫ КОСВЕННОЙ АДРЕСАЦИИ
• 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЧЕТЧИКА КОМАНД (РС) В КАЧЕСТВЕ РОН
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

4. Википедия - http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Изучение базовых команд ПК на базе МП i286 и их форматов. Изучение прямых способов адресации данных. Наработка практических навыков работы с командами. Разработка регистровой модели выполнения операций передачи данных. Программа реализации команд.

контрольная работа , добавлен 12.03.2011


Типы системной памяти. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), "энергонезависимая память" (CMOS). Процессор. Основные шины. Адресные данные. Совокупность всех возможных команд - система команд процессора.

контрольная работа , добавлен 30.03.2009


Внутренняя архитектура микропроцессора Intel 486. Формат данных и команд. Регистры общего назначения. Программная модель устройства FPU, регистр флагов. Разработка структуры и микропрограммы микропроцессора, управляющего автомата с жесткой логикой.

курсовая работа , добавлен 27.05.2013


Краткий обзор процессоров фирмы intel. Основные характеристики i80286: режим реальной адресации, режим защиты, сопроцессор i80287, условия программирования i80287. Основные характеристики i80386: 32-битная архитектура, способы адресации.

курсовая работа , добавлен 23.06.2007


Изучение архитектуры персонального компьютера на примере микропроцессора фирмы Intel. Регистры общего назначения. Оперативная память; форматы данных и команд. Команд пересылки с различными способами адресации операндов. Структура программы на Ассемблере.

курс лекций , добавлен 03.05.2014


Моделирование заданных команд, внутренних функциональных устройств и объектов ввода-вывода микроконтроллера. Разработка программа для демонстрации совместной работы микроконтроллера и моделируемого внешнего устройства. Компоненты архитектуры ATMega128.

курсовая работа , добавлен 12.06.2013


Типы команд, синтаксис ассемблера и код операции, по которому транслируется команда. Команды вычисления и непосредственной пересылки данных между регистрами. Поле для определения операции вычисления. Управление последовательностью выполнения программы.

реферат , добавлен 13.11.2009


Синтез структуры простого магистрального процессора с одним АЛУ, выполняющего 8 заданных команд. Разработка формата и кодировки команд, структурной схемы процессора, функциональные схемы всех его блоков в целом с указанием шин и управляющих сигналов.

реферат , добавлен 18.05.2009


Информационная система (ИС) как совокупность взаимосвязанных аппаратно-программных средств, предназначенных для автоматизации накопления и обработки информации. Особенности создания ИС "Агентство недвижимости": база данных, техническая документация к ней.

курсовая работа , добавлен 30.08.2012


Мобильные роботы и комплексы на их основе. Аналитический обзор программных средств по созданию базы данных и интерфейсов пользователей. Open Interface и классификация команд. Разработка аппаратного комплекса для формирования управляющих программ робота.

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.

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.

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.

Александр Савватеев

Общие сведения

Вычислительная машина М-3 разработана под руководством И. С. Брука. Она относится к классу малых универсальных машин.

Машина выполняет действия над 31-разрядными числами с фиксированной запятой со скоростью 30 двухадресных операций в секунду. Оперативная память реализована на магнитном барабане и имеет емкость 2048 чисел. В случае подключения к ЭВМ памяти на магнитных сердечниках быстродействие возрастает до 1500 операций в секунду.

Устройств внешней памяти М-3 не имеет.

Для ввода-вывода информации используются перфолента и телетайп.

Машина имеет 770 электронных ламп и 3000 полупроводниковых диодов, потребляет 10 кВт электроэнергии. Для ее размещения достаточно 30-40 м 2 .

Память и структура информации

Оперативная память ЭВМ М-3 имеет объем 2048 31-разрядных чисел или команд. Все ячейки памяти равноправны между собой. Для обращения к ячейкам памяти используются 11-разрядные адреса. Разряды ячеек памяти нумеруются слева направо; старший (самый левый) разряд имеет номер 0.

Двоичные числа с фиксированной точкой содержат в нулевом разряде знак числа, а остальные 30 разрядов занимает абсолютная величина числа. Таким образом, М-3 использует прямой, а не дополнительный код для представления отрицательных чисел. Принято считать, что целая часть числа равна нулю, а разряды 1-30 содержат дробную его часть.

Десятичные числа также имеют нулевую целую часть. Их знак размещается в нулевом разряде, а в разрядах 1-28 расположены семь тетрад, кодирующих десятичные цифры дробной части числа. Разряды 29-30 не используются.

Ввод-вывод информации

Для ввода программы в память ЭВМ используется перфолента. Для каждой ячейки на перфоленте наносится ее адрес, признак конца адреса, значение этой ячейки и признак конца значения. В конце программы пробивается специальный признак. Ввод программы осуществляется при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления ЭВМ.

Для ввода данных также используется перфолента, но на ней набивается сплошной массив десятичных чисел без каких-либо дополнительных кодов. Их ввод обеспечивается программой с помощью специальной команды.

Вывод информации осуществляется на печатающее устройство типа телетайпа.

Система команд

ЭВМ М-3 относится к двухадресным машинам. Каждая команда занимает одну ячейку памяти. Разряд кода команды 0 не используется, разряды 1-6 содержат код операции, разряды 7-18 - адрес первого операнда, разряды 19-30 - адрес второго операнда и результата.

Арифметическое устройство ЭВМ М-3 имеет сумматор, в который заносится результат последней выполненной операции. Содержимое сумматора может быть использовано при выполнении следующей операции.

При получении отрицательного результата, в том числе отрицательного нуля, формируется признак w =1. При получении положительного результата признак w =0.

Все команды можно разделить на две группы: арифметико-логические и команды управления.

Код арифметико-логической команды имеет вид xy , где x - модификатор операции (одна восьмеричная цифра); y - код операции (вторая восьмеричная цифра). Возможные значения кодов и модификаторов арифметико-логических операций приведены в нижеследующих табл. 1-2.

Таблица 1

Таблица 2

В табл. 1 a и b означают ячейки памяти, заданные первым и вторым адресом в коде команды соответственно; r - регистр-сумматор.

Команды управления не имеют модификаций, поэтому их код всегда занимает две восьмеричные цифры. Список команд управления приведен в табл. 3.

Таблица 3