Форматы команд

Типовая команда, в общем случае, должна указывать:

- подлежащую выполнению операцию;

- адреса исходных данных (операндов), над которыми выполняется операция;

- адрес, по которому должен быть помещен результат операции.

В соответствии с этим команда состоит из двух частей: операционной и адресной.

Формат команды определяет ее структуру, то есть количество двоичных разрядов, отводимых под всю команду, а также количество и расположение отдельных полей команды. Полем называется совокупность двоичных разрядов, кодирующих составную часть команды. При создании ВМ выбор формата команды влияет на многие характеристики будущей машины. Оценивая возможные форматы, нужно учитывать следующие факторы:

- общее число различных команд;

- общую длину команды;

- тип полей команды (фиксированной или переменной длины) и их длина;

- простоту декодирования;

- адресуемость и способы адресации;

- стоимость оборудования для декодирования и исполнения команд.

Длина команды

Это важнейшее обстоятельство, влияющее на организацию и емкость памяти, структуру шин, сложность и быстродействие ЦП. С одной стороны, удобно иметь в распоряжении мощный набор команд, то есть как можно больше кодов операций, операндов, способов адресации, и максимальное адресное пространство. Однако все это требует выделения большего количества разрядов под каждое поле команды, что приводит к увеличению ее длины. Вместе с тем, для ускорения выборки из памяти желательно, чтобы команда была как можно короче, а ее длина была равна или кратна ширине шины данных. Для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия ВМ длину команды обычно выбирают кратной байту, поскольку в большинстве ВМ основная память организована в виде 8-битовых ячеек. В рамках системы команд одной ВМ могут использоваться разные форматы команд. Обычно это связано с применением различных способов адресации.

Количество адресов в команде

Для определения количества адресов, включаемых в адресную часть, будем использовать термин адресность. В «максимальном» варианте необходимо указать три компонента: адрес первого операнда, адрес второго операнда и адрес ячейки, куда заносится результат операции. В принципе может быть добавлен еще один адрес, указывающий место хранения следующей инструкции. В итоге имеет место четырехадресный формат команды (рис. 1.8). Такой формат поддерживался в ВМ ENIAC, разработанной в 1940-х годах.

операция	адреса
КОП	1-й операнд	2-й операнд	Результат	Следующая команда

Рис.1.8. Четырехадресный формат команды

В фон-неймановских ВМ необходимость в четвертом адресе отпадает, поскольку команды располагаются в памяти в порядке их выполнения, и адрес очередной команды может быть получен за счет простого увеличения адреса текущей команды в счетчике команд. Это позволяет перейти к трехадресному формату команды (рис. 1.9). Требуется только добавить в систему команд ВМ команды, способные изменять порядок вычислений.

операция	адреса
КОП	1-й операнд	2-й операнд	Результат

Рис.1.9. Трехадресный формат команды

К сожалению, и в трехадресном формате длина команды может оказаться весьма большой. Так, если адрес ячейки основной памяти имеет длину 32 бита, а длина кода операции – 8 бит, то длина команды составит 104 бита (13 байт).

Если по умолчанию взять в качестве адреса результата адрес одного из операндов (обычно второго), то можно обойтись без третьего адреса, и в итоге получаем двухадресный формат команды (рис. 1.10). Естественно, что в этом случае соответствующий операнд после выполнения операции теряется.

операция	адреса
КОП	1-й операнд	2-й операнд Результат

Рис. 1.10. Двухадресный формат команды

Команду можно еще более сократить, перейдя к одноадресному формату (рис. 1.11), что возможно при выделении определенного стандартного места для хранения первого операнда и результата. Обычно для этой цели используется специальный регистр центрального процессора (ЦП), известный под названием аккумулятора, поскольку здесь аккумулируется результат.

операция	адрес
КОП	1-й или 2-й операнд

Рис. 1.11. Одноадресный формат команды

Применение единственного регистра для хранения одного из операндов и результата является ограничивающим фактором, поэтому помимо аккумулятора часто используют и другие регистры ЦП. Так как число регистров в ЦП невелико, для указания одного из них в команде достаточно иметь сравнительно короткое адресное поле. Соответствующий формат носит название полутораадресного или регистрового формата (рис. 1.12).

операция	адреса
КОП	Регистр	2-й операнд

Рис. 1.12. Двухадресный формат команды