Аннотация: В этой лекции рассказывается об основных группах команд процессора, об особенностях выполнения различных команд, о методах организации подпрограмм.
3.3. Система команд процессора
В общем случае система команд процессора включает в себя следующие четыре основные группы команд:
- команды пересылки данных;
- арифметические команды ;
- логические команды ;
- команды переходов .
Команды пересылки данных не требуют выполнения никаких операций над операндами. Операнды просто пересылаются (точнее, копируются) из источника (Source) в приемник ( Destination ). Источником и приемником могут быть внутренние регистры процессора, ячейки памяти или устройства ввода/вывода. АЛУ в данном случае не используется.
Арифметические команды выполняют операции сложения, вычитания, умножения, деления, увеличения на единицу (инкрементирования), уменьшения на единицу (декрементирования) и т.д. Этим командам требуется один или два входных операнда. Формируют команды один выходной операнд .
05. Основы устройства компьютера. Регистры и команды процессора. [Универсальный программист]
Логические команды производят над операндами логические операции, например, логическое И, логическое ИЛИ , исключающее ИЛИ, очистку, инверсию, разнообразные сдвиги (вправо, влево, арифметический сдвиг, циклический сдвиг). Этим командам, как и арифметическим , требуется один или два входных операнда, и формируют они один выходной операнд .
Наконец, команды переходов предназначены для изменения обычного порядка последовательного выполнения команд. С их помощью организуются переходы на подпрограммы и возвраты из них, всевозможные циклы, ветвления программ, пропуски фрагментов программ и т.д. Команды переходов всегда меняют содержимое счетчика команд. Переходы могут быть условными и безусловными. Именно эти команды позволяют строить сложные алгоритмы обработки информации.
В соответствии с результатом каждой выполненной команды устанавливаются или очищаются биты регистра состояния процессора ( PSW ). Но надо помнить, что не все команды изменяют все имеющиеся в PSW флаги. Это определяется особенностями каждого конкретного процессора.
У разных процессоров системы команд существенно различаются, но в основе своей они очень похожи. Количество команд у процессоров также различно. Например, у упоминавшегося уже процессора МС68000 всего 61 команда , а у процессора 8086 — 133 команды. У современных мощных процессоров количество команд достигает нескольких сотен. В то же время существуют процессоры с сокращенным набором команд (так называемые RISC-процессоры), в которых за счет максимального сокращения количества команд достигается увеличение эффективности и скорости их выполнения.
Рассмотрим теперь особенности четырех выделенных групп команд процессора более подробно.
3.3.1. Команды пересылки данных
Команды пересылки данных занимают очень важное место в системе команд любого процессора. Они выполняют следующие важнейшие функции:
- загрузка (запись) содержимого во внутренние регистры процессора;
- сохранение в памяти содержимого внутренних регистров процессора;
- копирование содержимого из одной области памяти в другую;
- запись в устройства ввода/вывода и чтение из устройств ввода/вывода.
В некоторых процессорах (например, Т-11) все эти функции выполняются одной единственной командой MOV (для байтовых пересылок — MOVB ) но с различными методами адресации операндов.
Как работает процессор, просто о сложном ✌
В других процессорах помимо команды MOV имеется еще несколько команд для выполнения перечисленных функций. Например, для загрузки регистров могут использоваться команды загрузки, причем для разных регистров — разные команды (их обозначения обычно строятся с использованием слова LOAD — загрузка). Часто выделяются специальные команды для сохранения в стеке и для извлечения из стека ( PUSH — сохранить в стеке, POP — извлечь из стека). Эти команды выполняют пересылку с автоинкрементной и с автодекрементной адресацией (даже если эти режимы адресации не предусмотрены в процессоре в явном виде).
Иногда в систему команд вводится специальная команда MOVS для строчной (или цепочечной) пересылки данных (например, в процессоре 8086). Эта команда пересылает не одно слово или байт, а заданное количество слов или байтов ( MOVSB ), то есть инициирует не один цикл обмена по магистрали, а несколько. При этом адрес памяти, с которым происходит взаимодействие, увеличивается на 1 или на 2 после каждого обращения или же уменьшается на 1 или на 2 после каждого обращения. То есть в неявном виде применяется автоинкрементная или автодекрементная адресация.
В некоторых процессорах (например, в процессоре 8086) специально выделяются функции обмена с устройствами ввода/вывода. Команда IN используется для ввода (чтения) информации из устройства ввода/вывода, а команда OUT используется для вывода (записи) в устройство ввода/вывода. Обмен информацией в этом случае производится между регистром-аккумулятором и устройством ввода/вывода. В более продвинутых процессорах этого же семейства (начиная с процессора 80286) добавлены команды строчного (цепочечного) ввода (команда INS ) и строчного вывода (команда OUTS ). Эти команды позволяют пересылать целый массив (строку) данных из памяти в устройство ввода/вывода ( OUTS ) или из устройства ввода/вывода в память ( INS ). Адрес памяти после каждого обращения увеличивается или уменьшается (как и в случае с командой MOVS ).
Также к командам пересылки данных относятся команды обмена информацией (их обозначение строится на основе слова Exchange ). Может быть предусмотрен обмен информацией между внутренними регистрами, между двумя половинами одного регистра ( SWAP ) или между регистром и ячейкой памяти.
3.3.2. Арифметические команды
Арифметические команды рассматривают коды операндов как числовые двоичные или двоично-десятичные коды. Эти команды могут быть разделены на пять основных групп:
- команды операций с фиксированной запятой (сложение, вычитание, умножение, деление);
- команды операций с плавающей запятой (сложение, вычитание, умножение, деление);
- команды очистки;
- команды инкремента и декремента;
- команда сравнения.
Команды операций с фиксированной запятой работают с кодами в регистрах процессора или в памяти как с обычными двоичными кодами. Команда сложения ( ADD ) вычисляет сумму двух кодов. Команда вычитания ( SUB ) вычисляет разность двух кодов. Команда умножения ( MUL ) вычисляет произведение двух кодов (разрядность результата вдвое больше разрядности сомножителей).
Команда деления ( DIV ) вычисляет частное от деления одного кода на другой. Причем все эти команды могут работать как с числами со знаком, так и с числами без знака.
Команды операций с плавающей запятой (точкой) используют формат представления чисел с порядком и мантиссой (обычно эти числа занимают две последовательные ячейки памяти). В современных мощных процессорах набор команд с плавающей запятой не ограничивается только четырьмя арифметическими действиями, а содержит и множество других более сложных команд, например, вычисление тригонометрических функций, логарифмических функций, а также сложных функций, необходимых при обработке звука и изображения.
Команды очистки ( CLR ) предназначены для записи нулевого кода в регистр или ячейку памяти. Эти команды могут быть заменены командами пересылки нулевого кода, но специальные команды очистки обычно выполняются быстрее, чем команды пересылки . Команды очистки иногда относят к группе логических команд , но суть их от этого не меняется.
Команды инкремента (увеличения на единицу, INC ) и декремента (уменьшения на единицу, DEC ) также бывают очень удобны. Их можно в принципе заменить командами суммирования с единицей или вычитания единицы, но инкремент и декремент выполняются быстрее, чем суммирование и вычитание. Эти команды требуют одного входного операнда, который одновременно является и выходным операндом.
Наконец, команда сравнения (обозначается CMP ) предназначена для сравнения двух входных операндов. По сути, она вычисляет разность этих двух операндов, но выходного операнда не формирует, а всего лишь изменяет биты в регистре состояния процессора ( PSW ) по результату этого вычитания. Следующая за командой сравнения команда (обычно это команда перехода ) будет анализировать биты в регистре состояния процессора и выполнять действия в зависимости от их значений (о командах перехода речь идет в разделе 3.3.4). В некоторых процессорах предусмотрены команды цепочечного сравнения двух последовательностей операндов, находящихся в памяти (например, в процессоре 8086 и совместимых с ним).
Источник: intuit.ru
Работа микропроцессора при выполнение команд.
В настоящее время наметилось два направления развития микропроцессоров:
- RISC процессоры (процессоры с сокращЈнным набором команд)
- CISC процессоры (процессоры с полным набором команд)
В процессорах с полным набором команд используется уровень микропрограммирования для того, чтобы декодировать и выполнить команду микропроцессора. В этих процессорах формат команды не зависит от аппаратуры процессора. На одной и той же аппаратуре при смене микропрограммы могут быть реализованы различные микропроцессоры.
С другой стороны смена аппаратуры никак не влияет на программное обеспечение микропроцессора. С точки зрения пользователя у микропроцессора только увеличивается производительность, снижается потребление энергии, уменьшаются габариты устройств. Неявным недостатком таких процессоров является то, что производители микросхем стараются увеличить количество команд, которые может выполнять микропроцессор, тем самым увеличивая сложность микропрограммы и замедляя выполнение каждой команды в целом.
В процессорах с сокращЈнным набором команд декодирование и исполнение команды производится аппаратурно, поэтому количество команд ограниченно минимальным набором. В этих процессорах команда и микрокоманда совпадают. Преимуществом этого типа процессоров является то, что команда может быть в принципе выполнена за один такт (не требуется выполнение микропрограммы), однако для выполнения тех же действий, которые выполняет команда CISC процессора, требуется выполнение целой программы.
В большинстве случаев быстродействие RISC процессоров выше чем CISC процессоров, однако при выборе процессора нужно учитывать все параметры в целом, т.к. тактовая частота может оказаться значительно ниже по сравнению с CISC процессором (особенно если в нЈм применяются специальные меры по повышению производительности), разрядность команды может оказаться выше чем у CISC процессора (что чаще всего и бывает). В результате общий объЈм исполняемой программы для RISC процессора превысит объЈм подобной программы для CISC процессора.
В качестве примера рассмотрим устройство процессора с полным набором команд. Здесь будет рассматриваться упрощЈнная модель процессора для облегчения понимания работы. CISC микропроцессор состоит из двух частей:
- Блок обработки сигналов;
- Блок микропрограммного управления.
Блок обработки сигналов микропроцессора.
Основным принципом работы любого цифрового устройства с памятью, в том числе и микропроцессора, является наличие цепи синхронизации. Этот сигнал, как и цепь питания, подводится к любому регистру цифрового устройства.
Блок обработки сигналов предназначен для считывания команд из системной памяти и выполнения считанных команд. Эти действия он осуществляет под управлением блока микропрограммного управления, который формирует последовательность микрокоманд, необходимую для выполнения команды. Схема одного из вариантов построения блока обработки сигналов приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Блок обработки сигналов.
В этой схеме явно просматривается, что отдельные биты микрокоманды (показанной внизу схемы) управляют различными блоками БОС, поэтому их можно рассматривать независимо друг от друга. Такие группы бит называются полями микрокоманды и составляют формат этой микрокоманды. Кроме бит, управляющих блоком обработки сигналов есть биты, управляющие блоком микропрограммного управления. Формат микрокоманды рассматриваемого процессора приведЈн на рисунке 3. Результат выполнения микрокоманды записывается по сигналу общей синхронизации CLK.
Для хранения и декодирования выполняемой команды выделим восьмиразрядный регистр, который назовЈм RI.
Для реализации более простой системы команд выберем аккумуляторный процессор. Соответственно необходимо один из регистров выделить в качестве аккумулятора ACC.
Так как мы выбрали для примера восьмиразрядный микропроцессор, то и все регистры в этом процессоре восьмиразрядные. Максимальное число, которое можно записать в такой регистр — 255, но для большинства программ такого объЈма памяти недостаточно. В приведЈнной на рисунке 1 схеме для того, чтобы получить 16-ти разрядный адрес используется два 8-ми разрядных регистра адреса.
Теперь максимальное число, которое можно записать в этих двух регистрах будет 65535, что вполне достаточно для записи программ и обрабатываемых ими данных. Для того, чтобы различать регистр старшего и младшего байта адреса обозначим их как PCH — старший байт и PCL- младший байт. Это позволяет при помощи восьмиразрядного АЛУ формировать 16-ти разрядный адрес.
Программный счЈтчик хранит текущее значение ячейки памяти из которой считывается команда, но процессор может обращаться и к данным, поэтому для формирования адреса выделим ещЈ пару регистров RAH — старший байт и RAL — младший байт. Выходы этих регистров выведем за пределы микросхемы и будем использовать в качестве шестнадцатиразрядной шины адреса.
ЕщЈ один регистр используется для формирования сигналов управления системной шины микропроцессора. В простейшем случае это сигналы записи (WR) и чтения (RD). Для формирования необходимых сигналов достаточно записывать в определЈнный бит регистра логический 0 или 1. Определим формат регистра управления. Пусть нулевой бит этого регистра будет сигналом записи, а первый бит этого регистра будет сигналом чтения. Остальные биты этого регистра пока не важны. Полученный формат приведЈн на рисунке 2.
Рисунок 2. Формат регистра управления (CR).
Блок микропрограммного управления
Блок микропрограммного управления предназначен для формирования последовательности микрокоманд блока обработки сигналов. В простейшем случае его можно построить на счетчике с возможностью предзаписи и ПЗУ. Схема такого блока приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Блок микропрограммного управления.
В этой схеме адрес очередной микрокоманды формирует двоичный счЈтчик. Если требуется осуществить безусловный или условный переход, то новый адрес записывается из ПЗУ в этот счЈтчик как в обычный параллельный регистр по сигналу параллельной записи V. Переход к следующему адресу микрокоманды производится по сигналу общей синхронизации CLK.
Источник: infopedia.su
Выполнение программы процессором
В основе архитектуры любого современного процессора имеется несколько обязательных конструктивных элементов:
Процесс выполнения одной команды программы состоит из нескольких этапов. Прежде всего, команда выбирается из кэш-памяти процессора. Этот этап называется выборкой. После этого выбранная команда декодируется в машинные команды процессора.