Обработка информации в ЭВМ осуществляется путём программного управления.
Программа представляет собой алгоритм обработки информации, записанной в виде последовательности команд, которые должны быть выполнены машиной для получения результата.
Команда ЭВМ представляет собой код, определяющий операцию вычислительной машины и данные, участвующие в операции. В явной и неявной форме команда содержит также информацию об адресе, по которому помещается результат операции, и об адресе следующей команды.
По характеру выполняемых операций можно выделить следующие группы команд:
¨ команды арифметических операций для чисел с фиксированной или плавающей запятой;
¨ команды десятичной арифметики;
¨ команды передачи данных (MOV AX, 0FFFh);
¨ команды операций ввода/вывода (IN, OUT);
¨ команды логических операций (AND, OR, NOT);
¨ команды передачи управления (управление циклом – LOOP, условные переходы – JAE, JB);
¨ команды задания режима работы машины и др.
Форматы команд ЭВМ
В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация объект адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся. Код команды можно представить состоящим из нескольких полей, каждое из которых имеет свое функциональное назначение.
В общем случае команда состоит из:
¨ операционной части (содержит код операции);
¨ адресной части (содержит адресную информацию о местонахождении обрабатываемых данных и месте хранения результатов).
В свою очередь, эти части, что особенно характерно для адресной части, могут состоять из нескольких полей.
Структура команды определяется составом, назначением и расположением полей в коде.
Форматом команды называется заранее оговоренная структура полей ее кода с разметкой номеров разрядов (бит), определяющих границы отдельных полей команды, или с указанием числа разрядов (бит) в определенных полях, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.
Пример формата команды процессора i486.
mod r/m - спецификатор режима адресации;
r/m - регистр памяти;
SS - масштабный множитель для режима масштабирования индексной адресации;
КОП - код операции;
index - определяет индексный регистр;
base - определяет базовый регистр.
Важной и сложной проблемой при проектировании ЭВМ является выбор структуры и форматов команды, т.е. ее длины, назначения и размерности отдельных ее полей. Естественно стремление разместить в команде в возможно более полной форме информацию о предписываемой командой операции. Однако в условиях, когда в современных ЭВМ значительно возросло число выполняемых различных операций и соответственно команд (в компьютерах с CISC-архитектурой более 200 команд) и значительно увеличилась емкость адресуемой основной памяти (32, 64 Мб), это приводит к недопустимо большой длине формата команды.
Вместе с тем, для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия ЭВМ длина формата команды должна быть по возможности короче, укладываться в машинное слово или полуслово. Решение проблемы выбора формата команды значительно усложняется в микропроцессорах, работающих с коротким словом.
Проследим изменения классических структур команд.
Чтобы команда содержала в явном виде всю необходимую информацию о задаваемой операции, она должна, как это показано на рис. 3.1 (б), содержать следующую информацию: А1, А2 - адреса операндов, А3 - адрес результата, А4 - адрес следующей команды (принудительная адресация команд).
Рис. 3.1. Структуры команд: а) обобщенная, б) четырехадресная, в) трехадресная, г) двухадресная, д) одноадресная, е)безадресная
Такая структура приводит к большей длине команды и неприемлема для прямой адресации операндов основной памяти. В компьютерах с RISC-архитектурой четырехадресные команды используются для адресации операндов, хранящихся в регистровой памяти процессора.
Можно установить, как это принято для большинства машин, что после выполнения данной команды, расположенной по адресу К (и занимающей L ячеек), выполняется команда из (K+L)-ой ячейки. Такой порядок выборки команды называется естественным. Он нарушается только специальными командами (передачи управления). В таком случае отпадает необходимость указывать в команде в явном виде адрес следующей команды.
В трехадресной команде (рис. 3.1, в) первый и второй адреса указывают ячейки памяти, в которых расположены операнды, а третий определяет ячейку, в которую помещается результат операции.
Можно условиться, что результат операции всегда помещается на место одного из операндов, например первого. Получим двухадресную команду (рис. 3.1, г), т.е. для результата используется подразумеваемый адрес.
В одноадресной команде (рис. 3.1, д) подразумеваемые адреса имеют уже и результат операции и один из операндов. Один из операндов указывается адресом в команде, в качестве второго используется содержимое регистра процессора, называемого в этом случае регистром результата или аккумулятором. Результат операции записывается в тот же регистр.
Наконец, в некоторых случаях возможно использование безадресных команд (рис. 3.1, е), когда подразумеваются адреса обоих операндов и результата операции, например, при работе со стековой памятью.
С точки зрения программиста, наиболее естественны и удобны трехадресные команды. Обычно в ЭВМ используется несколько структур и форматов команд разной длины. Приведенные на рис. 3.1. структуры команд достаточно схематичны. В действительности адресные поля команд большей частью содержат не сами адреса, а только информацию, позволяющую определить действительные (исполнительные) адреса операндов в соответствии с используемыми в командах способами адресации.
Способы адресации
Существует два различных принципа поиска операндов в памяти: ассоциативный и адресный.
Ассоциативный поиск операнда (поиск по содержанию ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кодов, содержащих заданный командой ассоциативный признак. Эти коды и выбираются из памяти в качестве искомых операндов.
Адресный поиск предполагает, что искомый операнд извлекается из ячейки, номер которой формируется на основе информации в адресном поле команды. Ниже мы будем рассматривать только реализацию адресного принципа поиска операнда.
Следует различать понятия исполнительного адреса и адресного кода.
Адресный код – это информация об адресе операнда, содержащегося в команде.
Исполнительный адрес – это номер ячейки памяти, к которой фактически производится обращение.
В современных ЭВМ адресный код, как правило, не совпадает с исполнительным адресом. Таким образом, способ адресации можно определить как способ формирования исполнительного адреса операнда А и по адресному коду команды А к.
В системах команд современных ЭВМ часто предусматривается возможность использования нескольких способов адресации операндов для одной и той же операции. Для указания способа адресации в некоторых системах команд выделяется специальное поле в команде - «метод» (указатель адресации). В этом случае любая операция может выполняться с любым способом адресации, что значительно упрощает программирование.
Адресуемые в командах операнды хранятся в основной памяти (ОП) и регистровой памяти (РП), рисунок 3.2.
Рассмотрим способы адресации, применяемые в современных ЭВМ.
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.
Контрольные вопросы
1. Что такое архитектура ЭВМ? Сформулируйте определение и расшифруйте его.
2. Проведите аналогию между архитектурой ЭВМ и обыденным понятием архитектуры. Что общего и в чем различие?
3. Что общего и в чем различие между понятиями «внутреннее устройство ЭВМ»
и «архитектура ЭВМ»?
4. Что такое семейство ЭВМ? Приведите примеры.
5. Объясните, в чем состоит принцип программной совместимости. Что такое совместимость снизу вверх (поясните на примере одного из известных вам семейств)?
6. Имеют ли отношение к понятию «архитектура» следующие факты:
а) в компьютере применяются микросхемы динамического (или статического) ОЗУ?
б) компьютер имеет расширенную память?
в) компьютер имеет (не имеет) общую шину, по которой передается информация между его устройствами?
г) в процессоре INTEL 80386 к системе команд добавлено по сравнению с INTEL 80286 несколько новых?
д) объем памяти новой модели ЭВМ увеличен вдвое?
7. Перечислите основные принципы фон-неимановской архитектуры и разъясните их содержание.
8. Чем обусловлено в ЭВМ широкое применение двоичной системы?
9. Можно ли. посмотрев на содержимое отдельно взятой ячейки памяти, определить, какая информация в ней записана: число, команда, символы?
10. Из каких основных рлов состоит ЭВМ?
В цифровых ЭВМ производится обработка информации, представленной в числовом виде. Информацией внутри ЭВМ являются команды и данные, которые необходимо распознать и обработать. В большинстве компьютеров данные и команды обрабатываются по словам, иногда по байтам. Длина слова определяется числом разрядов (битов) из которых состоит слово. Формат слова отображает организацию (назначение) отдельных разрядов в слове. Слова часто делят на слоги по одному байту в слове.
Данные и команды могут быть представлены одним либо несколькими словами. При использовании только одного слова для представления информации каждое слово должно содержать код операции, адрес в памяти и операнд. На рисунке 2.2 показан пример такого слова.
Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с данными. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится и куда поместить результат. Совокупность всех кодов операции образует набор команд процессора. Количество команд в ЭВМ равно 2 n 1 , где n 1- количество разрядов для представления команды. Современные ЭВМ выполняют от 20 до нескольких сотен команд: арифметических, логических, сдвиговых, а также команд управления периферийными устройствами. У некоторых немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; но операционная часть имеется всегда.
В зависимости от количества возможных операндов команды могут быть одно-, двух- и трехадресные. Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. В трехадресной команде указываются адреса первого и второго операндов, а также адрес, куда следует поместить результат операции. Трехадресная команда легко расшифровывается и удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становится непомерно большой. Поэтому были разработаны двухадресные компьютеры, длина команды в которых сокращена за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции остается в специальном регистре (аккумуляторе) и пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов. Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин.
Диапазон чисел , представляемых в компьютере, определяется длиной слова данных и используемым способом кодирования. При использовании двоичной системы счисления, максимальное число равно 2 ( n 3 – 1) , где n 3 – количество разрядов, выделенных для кодирования числа. Один разряд предназначается для фиксации знака числа: 0 – положительное, 1 – отрицательное. Отрицательное число может быть выражено не только с помощью знака и значения, но его можно представить также в виде дополнительного кода.
При представлении дробных чисел применяется использование чисел с фиксированной и плавающей запятой. В первом случае программист сам выбирает диапазон изменения чисел. Причем в процессе вычислений этот диапазон не должен быть превышен. Это представляет в ряде случаев определенные трудности. Поэтому во многих ВМ предусматривается возможность обработки чисел с плавающей запятой. Число в этом случае выражается порядком и мантиссой (полулогарифмическая форма).
CISC- и RISC-процессоры
По системе команд и архитектуре различают 2 вида процессоров (компьютеров):
1) с полным набором инструкций - CISC (Complete Instruction Set Computer );
2) с сокращенной системой команд - RISC (Reduced Instruction Set ).
Такие процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, и их система команд отличается относительной простотой.
Стратегия CISC-архитектуры формировалась в большой степени по желанию программистов иметь в своем распоряжении как можно больший набор команд для упрощения программирования. За первое десятилетие компьютерной эры список команд ЭВМ расширился от нескольких десятков до нескольких сотен.
Для CISC-процессоров характерны следующие признаки:
1) небольшое число регистров общего назначения;
2) большое количество машинных команд;
3) наличие сложных (многотактных) команд, функционально аналогичных операторам языков программирования высокого уровня;
4) большое количество способов адресации,
5) большое количество форматов команд различной разрядности;
6) преобладание двухадресного формата команд;
7) наличие команд обработки типа регистр-память.
Использование CISC-архитектуры упрощает компиляцию программ и уменьшает размеры исполняемых модулей. Но в архитектуре CISC плохо реализуются новейшие технические решения по повышению быстродействия процессоров. Это использование конвейерной, суперконвейерной и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.
Стратегия RISC архитектуры формировалась исходя из требований достижения максимальной производительности компьютера. По этой причине главными требованиями архитектуры RISC являлись следующие:
1) любая операция должна выполняться за один такт;
2) система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых команд (несколько десятков) одинаковой длины;
3) операции обработки данных реализуются только в формате регистр-регистр. Обмен между регистрами и памятью выполняется только командами загрузки и записи.
В дальнейшем эти требования были несколько смягчены. Выполнение команды за один такт стало трактоваться как загрузка конвейера команд в темпе "команда за такт". Набор команд современных RISC-процессоров возрос и содержит до 150 команд и более.
Незыблемым для архитектуры RISC остается только требование: обработка данных ведется только командами в формате регистр-регистр.
Для архитектуры характерны следующие признаки:
1) наличие внутри процессора достаточно большого файла регистров общего назначения (32 и более регистров);
2) использование для обработки информации трехадресных регистровых команд;
3) команды регистр-память применяются только для загрузки внутренних регистров из памяти и сохранения содержимого регистров общего назначения в памяти,
Использование в программе только простых команд в формате регистр-регистр позволяет увеличить скорость выполнения большинства вычислительных задач в 2-3 раза. В процессе научных исследований было установлено, что в 80% кода программ содержится около 20% простейших команд, а удаление из системы команд сложных операций позволяет уменьшить объём аппаратуры процессора примерно в 10 раз без ощутимого снижения быстродействия. Поэтому в основе современных высокопроизводительных ЭВМ заложена архитектура RISC.
Каждая программа состоит из отдельных машинных команд; команда является указанием процессору произвести какую-либо элементарную операцию, например, копирования информации, сложения
и др. Все программы более высокого уровня (текстовый редактор, лазерный проигрыватель и прочие, в том числе написанные на языках программирования) сводятся к последовательности машинных команд.
Совокупность всех операций, которые может выполнять машина, образует систему
ее
команд
. Система команд зависит от конструкции ЭВМ;
в пределах одного семейства компьютеры имеют совместимые инструкции.
Несмотря на отдельные отличия, системы машинных команд имеют много общего. Любая 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.
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). Кроме того, к ним часто добавляется анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево.
5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.
6. Команды управления , к которым 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; с ростом сложности устройства процессора количество такого рода команд увеличивается.
По степени сложности команд и их ассортименту процессоры разделяют на две группы - RISC и CISC (см. “Процессор ”).
Пожалуй, наиболее удивительным является тот факт, что с помощью относительно небольшого многообразия универсальных команд удается создать программное обеспечение, которое способно себя вести весьма сложным образом.
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 .
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. Для реализации этого сложения на одноадресной машине потребуется выполнить не одну, а три команды:
a) извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор;
b) сложить сумматор с числом из А2;
c) записать результат из сумматора в А3.
Может показаться, что одноадресной машине для решения любой задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это далеко не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения Y = (X 1 + X 2) * X 3/X 4 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. Хотя подобная машина неудобна для человека, она легко реализуется в компьютере; в частности, именно так устроена JAVA-машина.
Чтобы получить хотя бы некоторое представление об уровне машинных команд, приведем примеры нескольких типичных инструкций для процессоров семейства Intel.
С точки зрения программиста, машинные команды - это самый низкий уровень. Но для процессора каждая инструкция распадается на еще более простые составные части, которые принято называть тактами . На каждом такте процессор выполняет какие-либо совсем элементарные действия, например, обнуляет один из своих внутренних регистров, копирует содержимое из одного регистра в другой, анализирует содержимое отдельных битов информации и т.д. Для синхронизации последовательных машинных тактов они инициируются с помощью специального тактового генератора. Его частота выбирается инженерами таким образом, чтобы к началу следующего такта все операции предыдущего успевали надежно заканчиваться.
Различные по сложности операции выполняются за разное количество тактов. Например, передача содержимого одного регистра в другой выполняется гораздо быстрее, чем умножение чисел. Существенно удлиняется выполнение команды, если ее данные берутся не из внутренних регистров самого процессора, а из оперативной памяти (именно поэтому в процессор встраивается внутренний кэш).
Из сказанного выше отчетливо следует, что тактовая частота , определяющая время выполнения составляющих машинной команды, является важной характеристикой процессора: чем она выше, тем быстрее при прочих равных условиях работает процессор. Подчеркнем, что в случае различных алгоритмов выполнения операций внутри разных моделей процессоров использовать тактовую частоту как меру сравнения их быстродействия весьма проблематично.
Эксперименты показывают 5 , что для процессоров типа Pentium и ниже простые инструкции (пересылки, сложение регистров и т.п.) выполняются примерно за один такт. Таким образом, тактовая частота вполне может служить приблизительной оценкой количества таких операций, выполняемых за 1 секунду. Для более поздних моделей картина существенно “размывается” из-за сложных методов одновременного выполнения нескольких операций.
Курс информатики основной школы
В базовом курсе достаточно дать ученикам лишь наиболее общее представление о машинных командах. При этом важно подчеркнуть два аспекта проблемы. Во-первых, как и любой исполнитель, компьютер имеет собственную систему команд. А во-вторых, эта система является базовой для реализации всех остальных уровней программного обеспечения.
Предложенное в статье объяснение понятия тактовой частоты не является традиционным, но оно достаточно просто для понимания и хорошо согласуется с устройством процессоров.
Курс информатики в старших классах
При изучении программного обеспечения можно рекомендовать учителю в ознакомительном плане изложить материал данной статьи. Хотя полученные знания, вероятно, не будут непосредственно применяться учениками, для формирования общих представлений об обработке информации на компьютере они являются весьма полезными.
Принципы исполнения программы в машинных командах можно также изучать с помощью известного по методической литературе приема - учебной модели ЭВМ, такой, как “Кроха”, “Нейман”, “Малютка”, и др. 6 . Достоинство такого подхода заключается в том, что учебная модель компьютера, отражая его наиболее важные черты, в то же время устроена наиболее просто и не содержит “отвлекающих” внимание учеников второстепенных деталей. На базе учебного компьютера можно продемонстрировать ученикам следующие вопросы: программный принцип работы ЭВМ, система команд, хранение данных в ОЗУ - и некоторые другие. При наличии соответствующего учебного ПО (его можно взять, например, с указанного выше сайта) можно даже продемонстрировать ученикам на базе изучаемой модели, что такое языки ассемблер и Паскаль.
5 См., например, эксперименты 3.6.2 в: Еремин Е.А. Популярные лекции об устройстве компьютера. СПб.: BHV-Петербург, 2003, 272 с.
6 Подробному описанию учебных моделей посвящен сайт http://educomp.runnet.ru/ .
Представление данных в ЭВМ
Для оценки количества информации и упорядочения процесса ее обработки используются структурные единицы информации.
За единицу информации принимается один бит.
Бит определяет количество информации, посредством которой выделяется одно из двух альтернативных состояний. В одном бите с помощью цифр 0 и 1 может быть представлен один двоичный разряд числа или одна логическая переменная, принимающая соответственно значения "ложь" или "истина".
Последовательность битов, имеющая определенный смысл, называется полем.
Поле длиной 8 бит называется байтом.
Байт, как правило, является минимальной (неделимой) единицей информации, с которой оперирует ЭВМ. Все остальные единицы информации являются его производными (рис. 2.1).
Рис. 2.1.
Основной структурной единицей информации, обрабатываемой ЭВМ, является машинное слово.
В современных ЭВМ длина машинного слова обычно составляет два байта. Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно число, либо одна команда. Для обеспечения требуемой точности вычислений и экономии памяти большинство ЭВМ могут оперировать также с двойным словом.
Последовательность полей, байтов или слов, имеющих одинаковый смысл, образуют массив.
Группа массивов может объединяться в сегмент. Количество информации в больших массивах оценивается с помощью производных единиц, кратных количеству байтов в степени числа два (1кбайт = 1024 байт = 2 10 байт; 1Мбайт = 1 048 576 байт = 2 20 байт).
Вычислительная машина оперирует с двумя видами информации: управляющей информацией и числовыми данными.
Для представления числовых данных в ЭВМ используются естественная и нормальная формы записи чисел.
В вычислительной технике принято отделять целую часть от дробной точкой. Так как в этом случае положение точки между целой и дробной частями четко определено, то такое представление чисел называют представлением с фиксированной точкой (рис. 2.2).
Рис. 2.2.
Недостатком представления чисел с фиксированной точкой является их малый диапазон. Поэтому, как правило, в такой форме записывают только целые числа. В этом случае отпадает необходимость отводить поле для дробной части числа.
Максимальным по абсолютному значению целым числом, представляемым в естественной форме, будет число, определяемое по формуле (2 m - 1) (рис. 2.3).
Нормальная форма записи числа имеет вид N = m Ч q p , где m мантисса числа (m<1); p порядок; q основание системы счисления.
Порядок указывает местоположение в числе точки, отделяющей целую часть числа от дробной.
Рис. 2.3.
Такая форма представления чисел называется формой с плавающей точкой. В этом случае машинное слово делится на два основных поля. В одном поле записывается мантисса числа, во втором указывается порядок числа с учетом знака порядка (характеристика числа). Один разряд отводится для представления знака числа. Распределение разрядов в четырехбайтовом слове для случая с плавающей точкой приведено на рисунке 2.4.
Диапазон представления чисел с плавающей точкой значительно больше диапазона представления чисел с фиксированной точкой. Однако быстродействие ЭВМ при обработке чисел с плавающей точкой гораздо ниже, чем при обработке чисел с фиксированной точкой. Это объясняется тем, что при работе с плавающей точкой для каждой операции необходимо время на определение местоположения точки.
Рис. 2.4.
В современных ЭВМ используются обе формы представления чисел.
Представление команд в ЭВМ
Программа работы машины, определяющая процесс обработки информации в ЭВМ, состоит из последовательности команд.
Под командой ЭВМ понимается информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов для выполнения машиной определенного действия.
Поле команды состоит из двух частей: операционной и адресной. В операционной части указывается код операции (КОП), определяющий действие (арифметическое или логическое), которое должна выполнить машина. Адресная часть команды содержит адреса операндов (величин), участвующих в операции. Под адре-сом "А" понимается номер (цифровой код) машинного слова (или другого поля памяти ЭВМ), где записана необходимая для выполнения команды информация. Количество указываемых в команде адресов может быть различным. Соответственно числу адресов определяются следующие форматы команд: одноадресные, двухадресные, трехадресные и четырехадресные (рис. 2.5).
Рис. 2.5.
Трехадресная команда, выполняющая, например, операцию сложения, должна содержать код операции сложения и три адреса. Действия, выполняемые такой командой, определяются примерно следующей последовательностью:
1) взять число, хранящееся по первому адресу;
2) взять число, хранящееся по второму адресу, и сложить его с первым числом;
3) результат сложения записать по третьему адресу.
В случае двухадресной команды третий адрес отсутствует, и результат можно записать либо по второму адресу (с потерей информации, которая была там записана), либо оставить в сумматоре, где производилась операция сложения. Тогда для освобождения сумматора требуется дополнительная команда перезаписи числа по требуемому адресу. При сложении двух чисел, хранящихся по адресам A1 и A2, с записью результата, например, в A1 с использованием двухадресной команды, требуется уже четыре команды:
1) вызов в сумматор числа, хранящегося по адресу A1;
2) вызов числа, хранящегося по адресу A2, и сложение его с первым числом;
3) стереть число по адресу A1;
4) запись результата по адресу A1.
Таким образом, чем меньше адресность команд ЭВМ, тем большее число команд требуется для составления одной и той же программы работы машины.
Увеличивая адресность ЭВМ, приходиться увеличивать длину машинного слова, чтобы отвести в нем необходимые поля для адресной части команд. С увеличением объема памяти ЭВМ увеличивается длина поля, необходимого для одного адреса. В то же время не все команды полностью используют адресные поля. Например, для команды записи числа по заданному адресу требуется только одно адресное поле.