21. Характеристики та функції команд

Операции, выполняемые центральным процессором, определяются набором машинных команд (machine instruction set).

Компоненты машинной команды

Каждая машинная команда должна содержать информацию, необходимую для однозначной ее интерпретации и выполнения процессором. На рис. 9.1 пока­заны основные этапы выполнения машинной команды, которые неявно опреде­ляют и состав информации в ней. Компонентами машинной команды являются:

код операции — определяет, какие именно преобразования должен выпол­нить процессор с переданными ему элементами данных;

ссылка (или ссылки) на операнд-источник — в процессе выполнения ма­шинной команды одни данные преобразуются в другие; те данные, которые преобразуются, — операнды (может быть один операнд или два) — должны быть каким-то образом специфицированы;

ссылка на результат — определяет, что сделать с результатом преобразова­ния операндов (чаще всего, куда его поместить);

ссылка на следующую выполняемую команду — определяет, откуда ЦП должен извлечь следующую команду после завершения текущей.

Следующая выполняемая команда, как правило, размещена в какой-либо ячейке оперативной памяти, но в случае использования виртуальной памяти может находиться и во внешней памяти — на диске. В большинстве случаев очередная выполняемая команда находится в памяти сразу Же за текущей, ив таких случаях информация о ней в явном виде в текущей команде не содержит­ся. Если же эта информация включена в явном виде в команду, она должна со­держать адрес в оперативной памяти или виртуальный адрес. Формат представ­ления таких адресов рассматривается в главе 10.

Информация об операндах и результате операции в машинной команде мо­жет относиться к одному из трех компонентов компьютера:*:

оперативная или виртуальная память—• как и в случае е адресом следую­щей команды, информация о размещении операндов или результата может иметь вид адреса в оперативной или виртуальной памяти;

регистр ЦП — за редким исключением в составе процессора имеются один или несколько регистров (элементов сверхоперативной памяти), на которые можно ссылаться в машинной команде; если в составе процессора только один регистр, ссылка может быть неявной, в противном случае каждый регистр имеет уни­кальный номер, и этот номер специфицируется в машинной команде;

устройство ввода-вывода — некоторые команды в качестве операнда или ре­зультата специфицируют модуль или устройство ввода-вывода; если в ком­пьютере используется совмещенный режим адресации внешних устройств, адрес внешнего устройства в составе команды ничем не отличается от адре­са в оперативной памяти или виртуального адреса.

21. Структура і функції центрального процесора

В состав процессора входят как программно доступные регистры, так и специ­альные регистры управления и состояния. Последние также могут неявно обра­батываться при выполнении определенных машинных команд. Программно доступные регистры могут иметь общее или специальное назначение, например предназначаться для хранения чисел в формате с плавающей точкой, адресов, индексов или указателей сегментов. Регистры управления и состояния исполь­зуются для управления ходом выполнения операций в процессоре. Примером регистра подобного типа может служить счетчик команд — PC. Другим регист­ром этой группы является регистр слова состояния программы — PSW, кото­рый включает множество битов состояния и условий. В частности, в состав PSW входят биты, отражающие характер результата последней выполненной арифметической или логической команды, биты разрешения прерывания, ин­дикатор режима выполнения программы (супервизорный/пользовательский).

Для повышения скорости обработки в процессоре может быть организован кон­вейерный режим. По существу, конвейерная организация предполагает разбив­ку цикла обработки команды на несколько отдельных этапов, которые следуют один за другим — этап извлечения команды, декодирования команды, опреде­ления адресов операндов, извлечения операндов, выполнения операции и запи­си результата. Команда "проходит" через эти этапы, как через технологические позиции на сборочном конвейере, и средства выполнения каждого этапа могут в один и тот же момент времени иметь дело с разными командами. Реализация такой стратегии обработки команд серьезно усложняется наличием команд пе­рехода и определенной зависимостью команд друг от друга.

Структура процессора станет совершенно понятной, если задуматься над тем какие операции ему предстоит выполнять при обработке машинной команды.

Извлечение команды — процессор считывает команду из памяти.

Интерпретация команды — процессор расшифровывает команду и опре­деляет, какие операции ему предстоит выполнить.

Извлечение данных — для выполнения команды может потребоваться про­честь данные из памяти или из модуля ввода-вывода.

Обработка данных — выполнение команды может потребовать преобразо­вания данных, т.е. выполнения над ними определенных арифметических или логических операций.

Запись данных — если в процессе выполнения команды данные были из­менены, результат необходимо где-то зафиксировать. В частности, результат может быть записан в память или передан в модуль ввода-вывода.

Чтобы выполнить перечисленные операции, процессору требуются опреде­ленные средства временного хранения информации. Ему нужно помнить, где на­ходится выполняемая команда, и тогда можно будет определить, откуда выбрать следующую. Ему нужно хранить коды команд и данных во время их обработки. Другими словами, процессор нуждается в собственной внутренней памяти.