Процессор

Процессор

Система команд процессора

Хотя наборы команд, реализованных в разных процессорах, различаются по количеству и перечню команд, по способам кодирования, по длине команд и по времени их выполнения, в системах команд разных процессоров есть весьма много общего. Знание этих общих свойств помогает быстрее освоить программирование нового процессора.

Разработчики процессора стремятся включить в систему команд прежде всего те действия, которые чаще требуются программистам. При этом наиболее часто требуемые действия стремятся реализовать в более коротких и быстрых командах. Перечень и свойства операций, выполняемых процессорными командами, тесно связаны со свойствами разных видов данных, которые обрабатываются на ЭВМ. Общего в разных системах команд достаточно много. Далее будем рассматривать главным образом это общее, часто упоминая, чем вызваны те или иные различия.

Для описания команд и их действия будем использовать мнемоники, принятые в языке Ассемблера. Язык Ассемблера специфичен для каждого типа процессора, так как включает в себя совокупность символических обозначений процессорных команд и способов адресации. Несмотря на специфичность, в языках Ассемблера для разных процессоров достаточно много общего, как в форме (в синтаксисе) так и в содержании отображаемых конструкциями языка понятий, поскольку и в различных процессорах также имеется много одинаковых, либо похожих свойств.


Примечание!

В некоторых учебных изданиях даже не делается различия между изучением процессора и изучением языка Ассемблера для него (наверное, с точки зрения программиста на Ассемблере это так и есть). Однако изучение программирования на языке ассемблера включает в себя три компоненты.

В некоторых учебных изданиях даже не делается различия между изучением процессора и изучением языка Ассемблера для него (наверное, с точки зрения программиста на Ассемблере это так и есть). Однако изучение программирования на языке ассемблера включает в себя три компоненты:

  1. Собственно синтаксис Ассемблера, мнемоники команд процессора и способов адресации.
  2. Управление процессом трансляции (директивы Ассемблера), позволяющее программисту получить программу с нужными свойствами, например, задать требуемое расположение частей программы в памяти и т.п.
  3. Изучение набора и свойств сервисов используемой операционной системы (стандартных подпрограмм ОС, доступных прикладному программисту).

Нам в данном курсе будет нужен только п.1). Ассемблерные мнемоники и фрагменты программ призваны показать, как можно использовать возможности, предоставляемые аппаратурой процессора.

Если вы хотите подробно ознакомиться с техникой программирования на языке Ассемблера для процессоров семейства х86, рекомендуем вам воспользоваться книгами из списка литературы.

Для облегчения понимания кратко опишем основные правила записи команд на Ассемблере (они справедливы для многих известных автору Ассемблеров).

1) Как правило, ассемблерная строка однозначно соответствует одной процессорной команде.
2) Команда языка Ассемблера имеет следующую структуру:

Меткаl:            КОП              Оп1,Оп2,…      ;Комментарий

Вот пример команды на языке ассемблера

L1:                     mov r1,          #12A9h             ;Загрузка регистра константой

Пояснение: Данный оператор содержит команду пересылки, которая загружает константу 12A9h в регистр процессора r1. Константа задана программистом в виде шестнадцатиричного числа.

Оператор включает в свой состав следующие поля:

  • Метка - это символическое обозначение адреса. В мнемонике команды, приведенной выше, метка обозначает адрес, начиная с которого байты данной команды будут расположены в ОЗУ после загрузки программы в память. Имя метки часто используется как операнд в командах переходов. (Замечание 1: метки могут обозначать любой адрес, в том числе и тот, с которого расположен операнд. Замечание 2: конкретное значение физического адреса, соответствующего метке будет определено только после загрузки оттранслированной программы в память. При разных запусках этот физический адрес может получиться различным, если программист не принимает специальных мер по заданию определенного значения для этого адреса.).
  • КОП - мнемоническое обозначение кода операции, выполняемой данной командой, например mov - переслать
  • Оп1, Оп2,… - символические обозначения операндов, обычно они разделяются запятыми (хотя в некоторых Ассемблерах для разделения операндов используется пробел). Количество операндов в команде может быть различным, в большинстве современных процессоров - от 0 до 3. Если операндов больше, чем один, некоторые из них являются "источниками", а некоторые другие - "приемниками". Например, команда сложения

add        sum,op1,op2

содержит указания на два операнда-приемника (слагаемые) - op1 и op2, а также указание на элемент данных (sum), куда команде следует поместить результат.

Количество операндов, которые программист может указать в команде, определено отдельно для каждой команды конкретного процессора его разработчиками. Для многих команд делают допустимым несколько форматов (см., например, команду целочисленного умножения imul для процессоров семейства х86).

В Ассемблерах процессоров фирмы Intel, по большей части, операнды-источники записываются левее операндов-приемников. В Ассемблерах других фирм это может быть наоборот. В качестве операнда можно использовать метку, в этом случае метка будет обозначать адрес, с которого располагается в памяти соответствующий операнд.

  • Комментарий позволяет программисту записать пояснение к строке, и, как правило, игнорируется транслятором.

3) Хотя каждый процессор имеет свой Ассемблер (соответствующий его системе команд), многие мнемонические обозначения в разных Ассемблерах одинаковы для одинаковых операций. Этот факт сильно облегчает изучение следующего Ассемблера (и процессора), после того, как хотя бы один уже изучен.
4) При записи обозначений операндов используются условные обозначения выбранного программистом способа адресации. Обозначения различных способов адресации в разных ассемблерах также имеют много общего. Мы познакомимся с конкретными обозначениями при рассмотрении способов адресации.

Количество команд для разных типов ЭВМ колеблется от малых десятков до сотен. В таком множестве разобраться достаточно трудно, поэтому для рассмотрения разобьем все команды на группы (проклассифицируем). В разных книгах эта классификация тоже сделана по-разному. Выделяют от 3 до более 10 групп. (Наиболее обозримой для человека является классификация, содержащая на нижележащем уровне от 3 до 8 подклассов).

Управление вычислительным процессом

В машине со структурой фон Неймана команды расположены в ячейках памяти программ (в адресном пространстве команд) подряд. При рассмотрении принципа работы ЭВМ мы считали, что команды выбираются из памяти программ и выполняются подряд (имеет место свойство локальной сериальности). В процессорах имеются возможности нарушать естественный порядок следования команд при их выполнении. Благодаря этому, программы могут приобрести ряд полезных свойств. Рассмотрим ситуации, в которых желательно нарушение естественного порядка выполнения команд (см. таблицу ниже).

  1. Условное ветвление. Необходимость разветвления в алгоритме: в зависимости от того, каким получился некий промежуточный результат, следует выполнить одно из двух различных действий. Пример: поиск заданной фамилии в списке студентов. Если очередная фамилия совпала с искомой, поиск следует прекратить, если нет - поиск надо продолжить.
  2. Программный цикл. Выполнение одной и той же последовательности действий с несколькими экземплярами данных. Для этого можно написать последовательность команд так, чтобы она могла обрабатывать элементы данных, находящиеся в задаваемых адресах. В конце такой последовательности следует организовать разветвление. Если еще не все элементы данных обработаны, следует, нарушив порядок команд "подряд", перейти к началу последовательности команд, одновременно изменив адреса обрабатываемых данных. Если же все требуемые данные обработаны, - продолжить выполнение программы далее.
  3. Модульная иерархическая структура программы.

 

Кодирование команд в процессоре х86

Организация памяти

Адресуемая память (адресное пространство) представляет собой область из 1М байт. Физический адрес памяти имеет длину 20 бит (см. рисунок ниже). Для формирования физических адресов используется механизм сегментации памяти. Пространство памяти 1М доступно процессору через 4 "окна" (сегмента), каждый размером 64 Кбайт. Начальный адрес каждого сегмента содержится в одном из четырех сегментных регистров. Команды обращаются к байтам и словам в пределах сегментов, используя относительный (внутрисегментный) адрес.

 

Схема трансляции адреса в процессоре i8086

Для того, чтобы не увеличивать чрезмерно длину команды, большая часть команд в системе команд х86 описывает не более двух операндов. Ниже представлены основные форматы команд (см. следующий рисунок).

 

Форматы команд

Регистры. Шины. Вентили (Gates)

Регистры

Регистр хранит двоичное слово. Регистр - это линейка триггеров, которые имеют входы для изменения состояния, влияющее на выходы.

Регистры могут быть:

  • программно-видимые явно;
  • видимые косвенно, такие, накпример, как "теневые" регистры дескрипторов сегментов;
  • внутренние, предназначенные для специальных целей, например, регистр адреса памяти и регистр данных для обмена с памятью - про них ,по крайней мере, известно, для чего они предназначены;
  • внутренние - для хранения внутренних промежуточных результатов и т.д.

Кроме того, в процессоре могут быть "псевдо-регистры", хранящие константы: 0, 1, -1, и др. (м.б. такие, как , e,...).

Шины

Это просто группа параллельных проводов, связывающих между собой два адресата и позволяющих передать слово данных параллельным кодом.

Вентили

Регистры операционного устройства

Это логические элементы (коньюнкторы), разрешающие передачу данных (например, на вход триггера). Схема передачи слова данных от источника к приемнику изображена выше на рисунке. Она обеспечивает возможность управлять моментом передачи, подавая в нужный момент сигнал "строб". Слово данных от источника данных (им может быть другой регистр) подается на входы элементов "И". Выходы элементов "И" (вентилей) действуют на входы установки регистра-приемника. Для записи нового кода в регистр-приемник надо последовательно выполнить два действия:

  1. сбросить старый код в регистре,
  2. разрешить запись сигналом, подаваемым на вторые входы вентилей. Второй сигнал задержан относительно первого (в элементе задержки).

Несколько вентильных линеек В1, В2,...могут быть объединены по выходам линейкой элементов "ИЛИ". Такая структура позволяет передавать слово данных на вход регистра-приемника от одного из нескольких источников при действии разных стробовых сигналов. Такую структуру принято называть мультиплексором (ниже на рисунке).

Простейший мультиплексор

 

Микропрограммный автомат с жесткой логикой. Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Микропрограммный автомат с жесткой логикой

Тип микропрограммного автомата определяет название всего УУ. В микропрограммном автомате с жесткой логикой (см. рисунок ниже) выходные сигналы управления реализуются за счет однажды соединенных логических схем. Микропрограммный автомат с жесткой логикой. Код операций (КОП), хранящийся в регистре команды, используется для определения того, какие сигналы управления и в какой последовательности должны формироваться. При этом, желательно иметь в УУ отдельный логический сигнал для каждого кода операции (IK). Это может быть реализовано с помощью дешифратора.

Микропрограммный автомат с жесткой логикой

Сигналы управления, по которым выполняется микрооперация, должны вырабатываться в строго определенные моменты времени, поэтому все сигналы управления "привязаны" к импульсам синхронизации. Счетчик тактов сбрасывается (устанавливается в состояние Т1) по окончании цикла очередной команды. Цикл команды может потребовать разного количества тактов. На каждом такте вырабатывается своя микрокоманда, состоящая из нескольких сигналов управления. Дополнительным фактором, влияющим на выработку сигналов управления, являются флаги.

Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Отличительной особенностью микропрограммного автомата с программируемой логикой является наличие памяти микропрограмм. Каждой команде вычислительного устройства в этой памяти соответствует микропрограмма. Идею микропрограммирования сигналов управления предложил в 1951 г. Морис Уилкс (Кембриджский университет, Британия). ЭВМ стала иметь три уровня выполнения команд: между командами и сигналами управления появилась микропрограмма. Команда ЭВМ интерпретировалась в микропрограмму. Аппаратное обеспечение должно было выполнять только микропрограммы с ограниченным набором микрокоманд, отсюда существенно уменьшались аппаратные затраты. К 70-м годам идея о том, что написанная программа сначала должна интерпретироваться микропрограммами, а не выполняться непосредственно электроникой, стала преобладающей. Однако в современных процессорах, когда аппаратные затраты стали менее существенны, отказались от идеи микропрограммирования, так как она стала сдерживать рост производительности. Типичная схема микропрограммного автомата приведена на рисунке ниже.

Микропрограммный автомат с программируемой логикой

Запуск микропрограммы выполнения операции осуществляется путем передачи кода операции из регистра команды на вход преобразователя, в котором код операции (КОП) преобразуется в начальный адрес микропрограммы. Выбранная по этому адресу из памяти микропрограмм микрокоманда заносится в регистр. Микрокоманда содержит КОП и адресную часть. КОП поступает на дешифратор и формирует управляющие сигналы, адрес передается для формирования адреса следующей микрокоманды. Этот адрес может зависеть от флагов, КОП, внешних устройств.

Подкатегории

Яндекс.Метрика