Классификация МП по структуре и СК (Лекция)
ПЛАН ЛЕКЦИИ
Введение
1. Система команд процессора
2. Команды пересылки данных
3. Арифметические команды
4. Логические команды
5. Команды переходов
Введение
С точки
зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае
понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:
1)
разрядности адресов и данных;
2)
состава, имен и назначения программно-доступных
регистров;
3)
форматов и системы команд;
4)
режимов адресации памяти;
5)
способов машинного представления данных разного типа;
6)
структуры адресного пространства;
7)
способа адресации внешних устройств и средств
выполнения операций ввода/вывода;
8)
классов прерываний, особенностей инициирования и
обработки прерываний.
Рис. Классификация
команд по основным признакам
1. Система команд
процессора
В общем случае
система команд процессора включает в себя следующие четыре основные группы команд:
1)
команды пересылки данных;
2)
арифметические команды;
3)
логические команды;
4)
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.
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. Но надо помнить, что не все команды изменяют
флаги. Это определяется особенностями каждого конкретного процессора.
2. Команды
пересылки данных
Команды
пересылки данных занимают очень важное место в системе команд любого
процессора. Они выполняют следующие важнейшие функции:
1)
загрузка (запись) содержимого во внутренние регистры
процессора;
2)
сохранение в памяти содержимого внутренних регистров
процессора;
3)
копирование содержимого из одной области памяти в другую;
4)
запись в устройства ввода/вывода и чтение из устройств
ввода/вывода.
В некоторых
процессорах все эти функции выполняются одной единственной командой но с различными
методами адресации операндов.
Для разных
регистров могут использоваться разные команды загрузки (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 для строчной (или цепочечной)
пересылки данных. Эта команда пересылает не одно слово или байт, а заданное
количество слов или байтов, 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 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 добавлены команды строчного (цепочечного)
ввода и строчного вывода. Эти команды позволяют пересылать целый массив
(строку) данных из памяти в устройство ввода/вывода или из устройства
ввода/вывода в память. Адрес памяти после каждого обращения увеличивается или
уменьшается.
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. Арифметические
команды
Арифметические
команды рассматривают коды операндов как числовые двоичные или
двоично-десятичные коды. Эти команды могут быть разделены на пять основных
групп:
1)
команды операций с фиксированной запятой (сложение,
вычитание, умножение, деление);
2)
команды операций с плавающей запятой (тот же набор);
3)
команды очистки;
4)
команды инкремента и декремента;
5)
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 и декремента 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 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 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. В некоторых процессорах предусмотрены
команды цепочечного сравнения двух последовательностей операндов, находящихся в
памяти.
4. Логические
команды
Логические
команды выполняют над операндами логические (побитовые) операции, то есть они
рассматривают коды операндов не как единое число, а как набор отдельных битов.
Этим они отличаются от арифметических команд. Логические команды выполняют следующие
основные операции:
1)
логическое И, логическое ИЛИ, Исключающее ИЛИ;
2)
логические, арифметические и циклические сдвиги;
3)
проверка битов и операндов;
4)
установка и очистка битов (флагов) регистра состояния
процессора.
Команды
логических операций позволяют побитно вычислять основные логические функции от
двух входных операндов. Кроме того, операция И (AND) используется для принудительной
очистки заданных битов (в качестве одного из операндов при этом используется
код маски, в котором разряды, требующие очистки, установлены в нуль). Операция
ИЛИ (OR) применяется для принудительной установки заданных битов (в качестве
одного из операндов при этом используется код маски, в котором разряды,
требующие установки в единицу, равны единице). Операция "Исключающее
ИЛИ" (XOR) используется для инверсии заданных битов (в качестве одного из
операндов при этом применяется код маски, в котором биты, подлежащие инверсии,
установлены в единицу). Команды требуют двух входных операндов и формируют один
выходной операнд.
Команды
сдвигов позволяют побитно сдвигать код операнда вправо (в сторону младших
разрядов) или влево (в сторону старших разрядов). Тип сдвига (логический,
арифметический или циклический) определяет, каково будет новое значение старшего
бита (при сдвиге вправо) или младшего бита (при сдвиге влево), а также
определяет, будет ли где-то сохранено прежнее значение старшего бита (при
сдвиге влево) или младшего бита (при сдвиге вправо). Например, при логическом
сдвиге вправо в старшем разряде кода операнда устанавливается нуль, а младший
разряд записывается в качестве флага переноса в регистр состояния процессора. А
при арифметическом сдвиге вправо значение старшего разряда сохраняется прежним
(нулем или единицей), младший разряд также записывается в качестве флага переноса.
Циклические
сдвиги позволяют сдвигать биты кода операнда по кругу (по часовой стрелке при
сдвиге вправо или против часовой стрелки при сдвиге влево). При этом в кольцо
сдвига может входить или не входить флаг переноса. В бит флага переноса (если
он используется) записывается значение старшего бита при циклическом сдвиге
влево и младшего бита при циклическом сдвиге вправо. Соответственно, значение
бита флага переноса будет переписываться в младший разряд при циклическом сдвиге
влево и в старший разряд при циклическом сдвиге вправо.
Команды
проверки битов и операндов предназначены для установки или очистки битов
регистра состояния процессора в зависимости от значения выбранных битов или
всего операнда в целом. Выходного операнда команды не формируют. Команда
проверки операнда проверяет весь код операнда в целом на равенство нулю и на
знак (на значение старшего бита), она требует только одного входного операнда.
Команда проверки бита проверяет только отдельные биты, для выбора которых в
качестве второго операнда используется код маски. В коде маски проверяемым
битам основного операнда должны соответствовать единичные разряды.
Наконец, команды установки и очистки битов регистра
состояния процессора (то есть флагов) позволяют установить или очистить любой
флаг, что бывает очень удобно. Каждому флагу обычно соответствуют две команды,
одна из которых устанавливает его в единицу, а другая сбрасывает в нуль.
Например, флагу переноса C (от Carry) будут соответствовать команды CLC (очистка)
и SEC или STC (установка).
5. Команды
переходов
Команды
переходов предназначены для организации всевозможных циклов, ветвлений, вызовов
подпрограмм и т.д., то есть они нарушают последовательный ход выполнения
программы. Эти команды записывают в регистр-счетчик команд новое значение и тем
самым вызывают переход процессора не к следующей по порядку команде, а к любой
другой команде в памяти программ. Некоторые команды переходов предусматривают в
дальнейшем возврат назад, в точку, из которой был сделан переход, другие не
предусматривают этого. Если возврат предусмотрен, то текущие параметры
процессора сохраняются в стеке. Если возврат не предусмотрен, то текущие
параметры процессора не сохраняются.
Команды
переходов без возврата делятся на две группы:
1)
команды безусловных переходов;
2)
команды условных переходов.
В обозначениях
этих команд используются слова Branch (ветвление) и Jump (прыжок).
Команды
безусловных переходов вызывают переход в новый адрес независимо ни от чего. Они
могут вызывать переход на указанную величину смещения (вперед или назад) или же
на указанный адрес памяти. Величина смещения или новое значение адреса
указываются в качестве входного операнда.
Команды
условных переходов вызывают переход не всегда, а только при выполнении заданных
условий. В качестве таких условий обычно выступают значения флагов в регистре
состояния процессора. То есть условием перехода является результат предыдущей
операции, меняющей значения флагов. Всего таких условий перехода может быть от
4 до 16. Несколько примеров команд условных переходов:
1)
переход, если равно нулю;
2)
переход, если не равно нулю;
3)
переход, если есть переполнение;
4)
переход, если нет переполнения;
5)
переход, если больше нуля;
6)
переход, если меньше или равно нулю.
Если условие
перехода выполняется, то производится загрузка в регистр-счетчик команд нового
значения. Если же условие перехода не выполняется, счетчик команд просто
наращивается, и процессор выбирает и выполняет следующую по порядку команду.
Специально для
проверки условий перехода применяется команда сравнения (CMP), предшествующая
команде условного перехода (или даже нескольким командам условных переходов).
Но флаги могут устанавливаться и любой другой командой, например командой
пересылки данных, любой арифметической или логической командой. Отметим, что
сами команды переходов флаги не меняют, что как раз и позволяет ставить
несколько команд переходов одну за другой.
Совместное
использование нескольких команд условных и безусловных переходов позволяет
процессору выполнять разветвленные алгоритмы любой сложности.
Команды
переходов с дальнейшим возвратом в точку, из которой был произведен переход,
применяются для выполнения подпрограмм, то есть вспомогательных программ. Эти
команды называются также командами вызова подпрограмм (распространенное название
– CALL). Использование подпрограмм позволяет упростить структуру основной программы,
сделать ее более логичной, гибкой, легкой для написания и отладки. В то же
время надо учитывать, что широкое использование подпрограмм, как правило,
увеличивает время выполнения программы.
Рис. Реализация
разветвления на две ветки
Рис. Реализация разветвления на три ветки
Все команды
переходов с возвратом предполагают безусловный переход (они не проверяют
никаких флагов). При этом они требуют одного входного операнда, который может
указывать как абсолютное значение нового адреса, так и смещение, складываемое с
текущим значением адреса. Текущее значение счетчика команд (текущий адрес)
сохраняется перед выполнением перехода в стеке.
Для обратного
возврата в точку вызова подпрограммы (точку перехода) используется специальная
команда возврата (RET или RTS). Эта команда извлекает из стека значение адреса
команды перехода и записывает его в регистр-счетчик команд.
Особое место
среди команд перехода с возвратом занимают команды прерываний (распространенное
название – INT). Эти команды в качестве входного операнда требуют номер
прерывания (адрес вектора). Обслуживание таких переходов осуществляется точно
так же, как и аппаратных прерываний. То есть для выполнения данного перехода
процессор обращается к таблице векторов прерываний и получает из нее по номеру
прерывания адрес памяти, в который ему необходимо перейти. Адрес вызова
прерывания и содержимое регистра состояния процессора сохраняются в стеке.
Сохранение регистра состояния – важное отличие команд прерывания от команд
переходов с возвратом.
Команды
прерываний во многих случаях оказываются удобнее, чем обычные команды переходов
с возвратом. Сформировать таблицу векторов прерываний можно один раз, а потом
уже обращаться к ней по мере необходимости. Номер прерывания соответствует номеру
подпрограммы, то есть номеру функции, выполняемой подпрограммой. Поэтому команды
прерывания гораздо чаще включаются в системы команд процессоров, чем обычные
команды переходов с возвратом.
Для возврата
из подпрограммы, вызванной командой прерывания, используется команда возврата
из прерывания. Эта команда извлекает из стека сохраненное там значение счетчика
команд и регистра состояния процессора.
Отметим, что у
некоторых процессоров предусмотрены также команды условных прерываний, например,
команда прерывания при переполнении.
Конечно, в
данном разделе мы рассмотрели только основные команды, наиболее часто
встречающиеся в процессорах. У конкретных процессоров могут быть и многие
другие команды, не относящиеся к перечисленным группам команд. Но изучать их
надо уже после того, как выбран тип процессора, подходящий для задачи, решаемой
данной микропроцессорной системой.
С точки зрения системы команд
и способов адресации операндов
процессорное ядро реализует один из двух принципов построения процессоров:
1)
процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так
называемую полную систему команд (Complicated Instruction Set Computer);
2)
процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную
систему команд (Reduced Instruction Set Computer).
CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями
адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду
для выполнения необходимой операции. Процессор с CISC-архитектурой может иметь
однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат
команд. При этом система команд, как правило, неортогональна, то есть не все
команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому
из регистров процессора. Выборка команды на исполнение осуществляется побайтно
в течение нескольких циклов работы МК. Время выполнения команды может составлять
от 1 до 12 циклов.
В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до
минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать
команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12,
14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за
один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает
возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это
обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций.
На первый взгляд, RISC-процессор должен иметь более высокую производительность
по сравнению с CISC при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали.
Однако на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.
Во-первых, оценка производительности по времени выполнения команд
различных систем (RISC и CISC) не совсем корректна. Обычно производительность
МП принято оценивать числом операций пересылки "регистр-регистр",
которые могут быть выполнены в течение одной секунды. В CISC-процессоре время
выполнения операции "регистр-регистр" составляет от 1 до 3 циклов,
что, казалось бы, уступает производительности RISC-процессора. Однако
стремление к сокращению формата команд при сохранении ортогональности системы
команд RISC-процессора приводит к вынужденному ограничению числа доступных в одной
команде регистров. То есть более сложная система команд иногда позволяет реализовать
более эффективный способ выполнения операции.
Во-вторых, оценка производительности по скорости пересылки "регистр-регистр"
не учитывает особенностей конкретного реализуемого алгоритма управления. Так,
при разработке быстродействующих устройств автоматизированного управления
основное внимание следует уделять времени выполнения операций умножения и деления
при реализации уравнений различных передаточных функций. А при реализации
пульта дистанционного управления бытовой техникой следует оценивать время
выполнения логических функций, которые используются при опросе клавиатуры и
генерации последовательной кодовой посылки управления. Поэтому в критических
ситуациях, требующих высокого быстродействия, следует оценивать
производительность на множестве тех операций, которые преимущественно
используются в алгоритме управления и имеют ограничения по времени выполнения.
В-третьих, необходимо еще учитывать, что указанные в справочных данных
частоты синхронизации обычно соответствуют частоте подключаемого кварцевого
резонатора, в то время как длительность цикла центрального процессора
определяется частотой обмена по ВКМ. Соотношение этих частот индивидуально для
каждого МК и должно быть принято в расчет при сравнении производительности
различных моделей контроллеров.
С точки зрения организации
процессов выборки и исполнения команды применяется одна из двух архитектур
МП: фон-неймановская (принстонская) и гарвардская.
Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является
использование общей памяти для хранения программ и данных, как показано на рис.
Рис.
Структура МПС с фон-неймановской архитектурой
Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана – упрощение устройства
МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того,
использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять
ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость
МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в
общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому
фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных
компьютеров, включая персональные компьютеры.
Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование
раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как показано на
рис.
Рис.
Структура МПС с Гарвардской архитектурой
Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов,
пока производители не поняли, что она дает определенные преимущества
разработчикам автономных систем управления.
Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления
различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие
преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не
имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что
необходимый объем памяти данных, используемый для хранения промежуточных
результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ.
В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к
увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации
операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало
сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.
Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более
высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет
возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может
происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости
останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации
операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число
тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и
критичных участков программы.
С точки зрения адресации памяти можно выделить:
1. Регистровая архитектура определяется
наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП. Команды получают
возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих
сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и
совпадает с размером слова, физически реализованного в оперативной памяти. К
любому регистру можно обратиться непосредственно, поскольку регистры
представлены в виде массива запоминающих элементов - регистрового файла. Типичным
является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом команда
содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а
второй в оперативной памяти). В дополнение к основному набору РОН, в кристалле
может быть реализован второй комплект аналогичных регистров. Это значительно
упрощает работу при вызове подпрограмм или процедур обслуживания прерываний,
поскольку программист может использовать для них альтернативный набор
регистров, избегая сохранения в стеке содержимого РОНов для основной программы
с помощью операций PUSH. Кроме того, в систему команд может быть включен ряд
специальных инструкций, ориентированных на обработку отдельных битов, а для
поддержки регенерации динамической памяти в схему процессора введены
соответствующие аппаратные средства.
Предельный
вариант регистровой архитектуры – архитектура с адресацией посредством
аккумуляторов (меньший набор команд).
2. Стековая архитектура дает возможность
создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки
информации. В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному
на его вершине, или к двум верхним элементам стека.
3.
Архитектура МП, ориентированная на оперативную память (типа "память-память"), обеспечивает
высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и
стека при их организации в оперативной памяти. Архитектура этого типа не
предполагает явного определения аккумулятора, регистров общего назначения или
стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти.