Программная модель процессора

 Программная модель процессора

Выполнение программы сводится к выполнению машинных команд в заданной последовательности. Каждая команда прямо или косвенно должна однозначно определять следующую информацию:

-    Операцию, которую процессор должен выполнить над данными. Данные, участвующие в операции и результат операции принято назы- вать операндами. Процессор может выполнять строго определенный на- бор операций. Каждой операции присвоен свой уникальный номер, на- зываемый кодом операции (КОП).

-  Исполнительные адреса операндов.

-  Адрес следующей команды.

Для указания этой информации каждой команде при разработке про- цессора назначается свой формат. Формат команды определяет ее раз- биение на отдельные смысловые поля, длину этих полей и способ коди- рования информации в каждом из полей.

В предельном случае команда должна содержать пять полей, пока- занных на Рис.2. Поле КОП определяет код операции, а остальные четы- ре поля – адреса операндов и следующей команды

Процессор содержит два основных устройства, показанных на Рис.3, на которые возлагается выполнение команд в заданной последователь- ности.

Устройство управления (УУ) предназначено для декодирования ко- манды, которое заключается в извлечении информации из полей коман- ды в соответствии с форматом, определения адресов операндов и адреса следующей команды.

Операционное устройство (ОУ) предназначено для выполнения над операндами операции, предписанной полем КОП.

Адресная часть команды

Адрес следующей команды

Адрес результата Адрес второго операнда

Адрес первого операнда Код выполняемой операции

Рис. 2.

Рассмотрим основные фазы выполнения машинной программы.

1.   Для запуска программы в устройство управления заносится адрес первой команды.

2.   По адресу команды из памяти считывается содержимое ячейки памяти и передается в устройство управления.

3.   Устройство управления выделяет поля команды.

4.   На основании адресной части определяются адреса операндов.

5.   По адресам операндов считывается содержимое указанных ячеек памяти и направляется в операционное устройство.

6.     Операционное устройство выполняет заданную операцию.

7.   Результат операции сохраняется в ячейке памяти по указанному адресу.

8.   Устройство управления определяет адрес следующей команды. Рассмотренные действия повторяются с пункта 2 до выполнения специ- альной команды СТОП, предписывающей завершение программы.

Помимо результата многие команды формируют признак результата ПР. Типичными признаками результата являются:

-  Результат равен нулю

-  Результат меньше нуля

-  Результат больше нуля

В систему команд могут включаться специальные команды сравнения, основным назначением которых является формирование признака ре- зультата. Типичными признаками для команд сравнения являются при- знаки:

-  Операнды равны по значению

-  Значение первого операнда меньше значения второго операнда

-    Значение первого операнда больше значения второго операнда. Сформированный признак результата может анализироваться специ-

альными командами управления для принятия решения в процессе вы- числения адреса следующей команды в ветвящихся алгоритмах.

Процессор может иметь свою собственную память, используемую для кратковременного хранения информации. Она состоит из специальных электронных узлов – регистров. Разрядность регистров обычно совпадает с разрядностью машинного слова. Регистры доступны программе и могут использоваться ею. для хранения промежуточных результатов. Такого рода регистры называются регистрами общего назначения (РОН). Каждый регистр имеет номер, который может указываться в качестве адреса в команде. Адреса регистров не совпадают с адресами основной памяти.

По сравнению с основной памятью, объем которой может достигать нескольких Гб, объем регистровой памяти невелик, порядка десятков РОН.. Время же считывания и записи информации для РОН на несколько порядков меньше, чем для ячейки основной памяти.

Основная память может быть распределена для одновременного раз- мещения в ней нескольких программ. Регистры же выделяются в моно- польное использование выполняющейся в данный момент программы

Команды с четырьмя адресными полями наиболее удобны с точки зрения программиста, но реализовать команды такого формата в аппаратуре процессора при ограниченной длине машинного слова практически невозможно.

Рассмотрим пример. Пусть ЭВМ имеет основную память объемом 1Мб, а процессор способен выполнять до двухсот различных операций, Длина каждого адресного поля составит 20 бит (2²⁰ = 1Мб), а поля КОП – 8бит. Длина команды 8+4*20 =88 бит. C другой стороны, машинное слово со- временных процессоров, как правило, не превышает 32 бита. Современные ЭВМ имеют значительные объемы памяти, измеряемые сотнями мегабайт и гигабайтами, что еще более обостряет проблему.

Сокращение длины команды достигается двумя способами:

·       Сокращение количества адресных полей.

·       Сокращение длины адресных полей.

При первом способе некоторые адреса определяются по умолчанию (косвенно) и в команде не указываются. Сокращение количества адресных полей оборачивается увеличением количества команд в программе.

При втором способе в команде указывается не исполнительный адрес, а так называемый логический адрес (АЛ). Логический адрес содержит информацию, на основе которой можно вычислить исполнительный адрес. Сокращение длины адресных полей в общем случае приводит к увеличению времени выполнения программы, т.к. необходимо дополнительные действия по вычислению адресов.