Форматы команд 32-разрядных ЭВМ

Усложнение логической организации машин 3-го поколения, наличие большого количества форматов данных, двух типов запоминающих устройств ОП и СОП, использование абсолютной и относительной адресации, одно-, двух- и трехадресных команд явились следствием появления пяти типов машинных команд. Форматы команд, их условные обозначения и структуры представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Форматы команд 32-х ЭВМ

В графе 3 таблицы приведены форматы и структуры машинных команд. Используемые условные обозначения полей в машинных форматах повторяются. В разрядах с 0-го по 7-й размещается 8-разрядный код операции (КОП). В самых левых разрядах, 0 и 1-м, находится двухбитный код длины машинной команды (графа 4) (табл. 7.1).

Поскольку каждый формат имеет фиксированную длину, то при прочтении информации, содержащейся в 0 и 1-м разрядах, в блоке управляющих регистров центрального процессора осуществляется определение длины машинной команды. Из табл. 7.1 следует, что для внутри машинного представления машинных команд используются поля, состоящие из целого количества байт, кратного двум или машинному полуслову. После считывания первых двух байтов и анализа значений 0 и 1-го разрядов, схемам процессора, управляющим выборкой команд из ОП, становится известно, сколько еще пар байтов необходимо считать в регистр команд, чтобы зафиксировать в нем машинную команду, которую предстоит выполнять процессору: если в 0 и 1-м разрядах – 00, то это – команда RR и больше ничего не надо считывать, если- 01 или -10, то это – одна из команд RX, RS, SI и необходимо считать еще следующие 2 байта из ОП, если в 0 и 1-м разрядах – 11, то процессор получает информацию о том, что из ОП необходимо считать еще два раза по 2 байта, чтобы выбрать команду форматаSS из памяти полностью. При помощи восьми разрядов поля КОП осуществляется кодировка следующей информации: в правых четырех битах – разряды с 0-го по 3-й – содержится код группы команд для определенного типа формата данных или управления, в левых четырех битах – разряды с 4-го по 7-й – находится номер команды в группе. Развернутая система машинных команд ЭВМ 3-го и 4-го поколений содержит 176 различных машинных команды при потенциальных возможностях восьмиразрядного двоичного КОП- 256 (приложение 3).

Индексы условных обозначений полей соответствуют информации, по которой будут определяться адреса операндов. Следовательно, команды RR, RX, SS являются 2- адресными, а команда RS – 3-адресной, SI – одноадресной, так как в поле I2 находится не информация для определения адреса 2-го операнда, а его непосредственное значение. Поля, обозначенные буквой R, обозначают, что местом нахождения операндов являются регистры РОН, а сами значения полей соответствуют номерам РОН, в которых размещаются операнды. Буквами В1 и В2 обозначаются поля, где содержатся номера РОН, в которых соответственно находятся значения базовых адресов 1 и 2-го операндов. В полях D1 и D2 находятся абсолютные значения смещений 1 и 2-го операндов относительно базовых адресов, записанные в 16-тиричной СС. В поле L команды SS указывается длина операндов, адреса которых определяются при помощи содержимого регистра В1 и смещения D1- для первого операнда и содержимого регистра В2 и значения смещения D2- для второго операнда. Команда RR имеет наименьшую длину – 2 байта, или полуслово; RX, RS, SI – 4 байта (одно машинное слово); SS – 6 байт (1,5 машинных слова). Поля R1, R2, R3, В1, В2 имеют длину четыре двоичных разряда, что является достаточным для указания номера РОН. Поля D1, D2 имеют длину 12 двоичных разрядов, 3 тетрады, что достаточно, чтобы зафиксировать значение смещения младшего байта поля ОП, закрепленного за переменной относительно базового адреса, которое может принимать значение от 000₁₆ до FFF₁₆. Среди форматов только одна команда RS трехадресная. Команды RR, RХ, SS – двухадресные, команда SI – одноадресная. Полный набор мнемокодов и 16-ричной интерпретации команд машинно-ориентированного языка программирования Ассемблера приведен в приложении 3.

Для размещения машинной программы операционной системой выделяется один или несколько стандартных блоков ОП, координаты которых задаются при помощи базовых адресов. Поскольку в качестве альтернативного размещения данных при рассмотрении машинных команд появилось такое запоминающее устройство, как СОП, или РОН, то необходимо по всем форматам данных сформулировать правила их размещения в РОН.

Форматы «С» и «P» являются форматами переменной длины, для их представления в СОП могут использоваться либо 4-байтные РОН, либо 8-байтные, спаренные РПЗ. Размещение в СОП переменных, объявленных в форматах «F» и «E», сводится к закреплению за ними одного из регистров РОН, причем для формата «F» регистрация знака осуществляется в 0-м бите, а мантиссы в виде дополнительного кода в разрядах с 1-го по 31-й, для формата «E» регистрация знака числа осуществляется в 0-м бите, характеристики числа – в разрядах с 1-го по 7-й, мантиссы в разрядах с 8-го по 31-й.

Размещение переменных, объявленных в формате «D», осуществляется аналогично формату «E» в одном из спаренных регистров РПЗ с номерами 0, 2, 4, 6 с той лишь разницей, что для мантиссы отводятся разряды с 8-го по 31-й младшего регистра и разряды с 0-го по 31-й старшего регистра. Для переменных, объявленных в формате «H», в разрядах с 0-го по 15-й РОН записываются «0», в 16-м разряде регистрируется знак числа, а с 17-го по 31-й записываются разряды дополнительного кода числа.

Учитывая отсутствие достаточного количества общедоступной литературы, связанной со спецификой «управляющей информации», целесообразно подробно рассмотреть практические примеры для каждого формата машинных команд. В примерах необходимо рассмотреть содержимое ОП и СОП до начала выполнения машинной команды и после ее выполнения.

7.3. RR –« регистр–регистр»

Длина команды 16 двоичных разрядов, или полуслово. R1, R2 – номера РОН, в которых находятся соответственно 1 и 2-й операнды. Результат операции записывается в регистр общего назначения, адрес которого находится в поле R1.

Задание 1. Используя формат команды RR, заполнить поля команды информацией, представленной в 16-ричной СС и представить внутреннее содержимое РОН до и после выполнения операции. КОП = 1А – операция сложения чисел, представленных в форме с фиксированной запятой, формат «F»; R1 = 3; R2 = 4; значение первого операнда О₁ = + 324₁₀; значение второго операнда О₂ = + 300₁₀.

Этапность выполнения Задания 1:

1. Записать 16-ричное представление полей машинной команды:

0 7 8 1112 15

2. Представить в 16-ричной СС значения О₁, О₂ и результата( РЗ):

О₁ = + 324₁₀ = 144₁₆, О₂ = + 300₁₀ = 12С₁₆, РЗ = 624₁₀ = 270₁₆

3. В соответствии с правилами внутри машинного представления чисел в формате «F», представить содержимое используемых РОН до и после выполнения операции в 16-ричной СС (рис. 7.3).

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.3. Содержимое РОН до и после выполнения

машинной команды

Номера РОН располагаются справа от самих регистров и имеют значения от 0 до F в 16-ричной СС. Сами РОН развернуты в виде 4-х байтов, содержимое каждого их которых представлено двумя 16-ричными цифрами.

7.4. RX - «регистр–индексный регистр»

Команды формата RX имеют длину 4 байта, двухадресные, предназначены выполнения операций над переменными типа массив. 1-й операнд размещается в РОН по адресу, который находится в поле R1, адрес 2-го операнда определяется по формуле:

А2 = [В2] + [Х2] + D2 , (7.1)

где В2 – номер РОН, в котором находится значение базового адреса, Х2 –номер РОН, в котором находится значение индекса переменной, определяемое по формуле

Х2 = L*I (7.2)

где L – длина переменной в байтах, I – номер элемента в массиве (для одномерного массива), D2 – абсолютное значение смещения 0-го элемента массива относительно базового адреса, т. е. фактически получается, что выражение

[В2] + D2 (7.3)

определяет байт ОП, начиная с которого осуществляется размещение 2-й переменной типа «массив» в ОП. Результат операции РЗ помещается на место 1-го операнда в РОН.

Задание 2. Используя формат команды RX, заполнить поля команды информацией, представленной в 16-ричной СС и представить внутреннее содержимое использованных РОН и полей ОП до и после выполнения операции. КОП = 5В – операция вычитания чисел, представ-ленных в форме с фиксированной запятой, формат «F», R1=1, В2=2. Значение первого операнда О₁ = +6862₁₀, значение второго операнда, который является элементом массива с номером 4, О₂ = +3562₁₀. Содержимое Х2 должно быть равно 4*4 = 16₁₀ = 10₁₆.

Этапность выполнения задания 2:

1. Записать 16-ричное представление полей машинной команды:

0 7 8 1112 1516 1920 31

2. Выполнение операции вычитания сводится к следующим действиям: из значения операнда, который находится в 1-м регистре общего назначения, вычесть значение операнда, являющегося 4-м элементом переменной типа «массив», объявленной в формате «F». Адрес младшего байта поля ОП, в котором размещается 2-й операнд, определяется по формуле (7.1). Результат помещается по адресу первого операнда в регистр общего назначения с номером 1.

3. Представить в 16-ричной СС значения О₁, О₂ и результата РЗ:

О₁=+6862₁₀=+8АСЕ₁₆, О₂=+3562₁₀=+ D ЕА₁₆, РЗ=+3300₁₀=+СЕ4₁₆

4. В соответствии с правилами внутри машинного представления чисел в формате «F» представить содержимое используемых РОН до и после выполнения операции в 16-ричной СС (рис. 7.4).

5. Исполнительный адрес 2-го операнда определяется по формуле 7.1 и будет иметь значение

А2(4) =00АЕА000₁₆+400₁₆+10₁₆=00АЕА410₁₆.

6. Адрес байта поля ОП, начиная с которого размещается 0-й элемент массива 2-й переменной, определяется по формуле 7.3 и будет иметь значение

А2(0)= 00АЕА000₁₆+400₁₆=00АЕА400.

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.4. Содержимое РОН до и после выполнения

машинной команды

7. Содержимое поля ОП, в котором размещается 2-й операнд, будет неизменным после завершения выполнения машинной команды (рис. 7.5).

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.5. Содержимое ОП до и после выполнения машинной команды

Анализ содержимого полей ОП, в которых размещаются значения 0, 1 и 3-го элементов переменной типа «массив» А2, дает основание сделать выводы о том, что 0, 1 и 3-й элементы являются отрицательными числами, так как в знаковых разрядах находится «1», элементы 2 и 4-й являются положительными числами, поскольку их знаковые разряды имеют значение «0». 4-й элемент массива, выступающий в данной операции в качестве 2-го операнда, после завершения операции своего значения не меняет. В заключение можно отметить, что формат RX – единственный, который может работать с индексными переменными.

7.5. RS – «регистр–память»

Команды формата RS имеют длину 4 байта, трехадресные, предназначены для выполнения арифметических операций над переменными в любых числовых «форматах данных». Среди команд формата RS есть команды передачи управления, логические операции, команды сдвига слова влево, арифметического сдвига двойного слова влево и т. д. В командах формата RS 1-й операнд размещается в РОН, адрес которого находится в поле R1, адрес 2-го операнда определяется по формуле

А2= [В2] + D2 (7.4)

где В2 – номер РОН, в котором находится значение базового адреса 2-го операнда, D2 – абсолютное значение смещения младшего байта поля ОП, закрепленного за 2-м операндом, относительно базового адреса.

Результат операции РЗ помещается в РОН, номер которого находится в поле R3 машинной команды.

Задание 3. Используя формат команды RS, заполнить поля команды информацией, представленной в 16-ричной СС, и представить внутреннее содержимое использованных РОН и полей ОП до и после выполнения операции. КОП = AF – операция вычитания чисел без норма-лизации, представленных в форме с плавающей запятой (формат «D»), R1 = 0, R3 = 2, В2 = 4.Значение первого операнда О₁ = +272₁₀, значение второго О₂ = +138₁₀. Смещение 2-го операнда относительно базового D2 = А00.

Этапность выполнения задания 3:

1. Записать 16-ое представление полей машинной команды:

0 7 8 11 12 1516 2324 31

2. Выполнение операции вычитания сводится к следующим действиям: из значения операнда, который находится в 0-м регистре общего назначения, вычесть значение операнда, который находится 8-ми байтном поле ОП, адрес которого определяется по формуле (7.4). Результат операции помещается в РПЗ с номером 2.

3. Представить в 16-ричной СС значения О₁, О₂ и результата РЗ:

О₁ = +272₁₀= 110₁₆, О₂ = +138₁₀ = +8А₁₆, РЗ = 134₁₀ = +86₁₆.

4. В соответствии с правилами внутри машинного представления чисел в формате «D» представить содержимое используемых РПЗ, имеющих четные номера 0 и 2, до и после выполнения операции в 16-ричной СС (рис. 7.6).

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.6. Содержимое РОН до и после выполнения машинной команды

5. Исполнительный адрес 2-го операнда определяется по формуле (7.3) и будет иметь значение

А2 = 00А00000₁₆ + А00₁₆ = 00А00А00₁₆.

6. Содержимое поля ОП, в котором размещается 2-й операнд, будет неизменным после завершения выполнения машинной команды (рис. 7.7).

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.7. Содержимое ОП до и после выполнения машинной команды

7.6. SI – «память – непосредственный операнд»

Команда одноадресная, в адресной части размещаются поля В1 и D1, по содержимому которых осуществляется определение поля ОП, в котором находится значение 1-го операнда. В отличие от других машинных команд в данной машинной команде заниматься определением адреса 2-го операнда нет необходимости. Значение 2-го операнда находится в поле I2, т.е. 2-й операнд находится не в ОП или РОН, а в самой команде. Результат выполненной машинной команды помещается по адресу 1-го операнда А1, который определяется по формуле

А1 = [В1] + D1 (7.5)

Можно привести практический пример использования этой команды: если при наборе текста в текстовом редакторе обнаруживается ошибка в каком-то слове, исправление сводится к замене одной буквы на другую, т.е. вместо буквы «а» необходимо поставить букву «и». В. С точки зрения внутри машинного представления информации необходимо поменять содержимое байта ОП, в котором находится значение символа «а» в коде ДКОИ, на значение символа «и», что фактически эквивалентно записи значения I2 ( двоичного представления символа «и» в коде ДКОИ) в однобайтное поле ОП с адресом А1, в котором до выполнения команды находилось двоичное представление символа «а». Для машинных команд формата SI характерно выполнение команд «пересылка непосредственная» (КОП = MVI). Вполне очевидным является факт однобайтности операндов, поскольку поле I2 имеет фиксированную длину восемь двоичных разрядов. Такими параметрами обладают только символьные и логические переменные.

Задание 4. Используя формат команды SI, заполнить поля команды информацией, представленной в 16-ричной СС, и представить внутреннее содержимое использованных РОН и полей ОП до и после выполнения операции. КОП=92 – операция записи содержимого поля I2= 02 в байт ОП с адресом А1 = (В1) + D1= 00А00000₁₆ + 500₁₆ = 00А00500₁₆, где В1 = 4, (В1) = 00А00000₁₆, смещение 1-го операнда относительно базового D1 = 500.

Этапность выполнения задания 4:

1. Записать 16-ричное представление полей машинной команды:

0 7 8 1112 1516 2324 31

2. Выполнение операции сводится к следующим действиям: содержимое разрядов с 8-го по 15-й машинной команды должно быть записано в байт ОП с номером или адресом А1 = 00А00500₁₆ .

3. В соответствии с правилами внутри машинного представления, представить содержимое РОН с номером 4, являющегося базовым для 1-го операнда, до и после выполнения операции в 16-ричной СС (рис. 7.8).

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.8. Содержимое РОН до и после выполнения машинной команды

4. Содержимое поля ОП, закрепленное за 1-м операндом, с адресом А1 = 00А00500₁₆ до и после выполнения машинной команды представлено на рис. 7.9.

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.9. Содержимое ОП до и после выполнения машинной команды

7.7. SS-«память-память»

Команда SS – самая длинная команда, ее длина – 48 двоичных разрядов, 6 байтов, или три машинных полуслова. Команда двухадресная, операнды находятся в ОП, результат помещается по месту 1-го операнда. В поле L указываются значения размеров полей ОП, закрепленных за операндами О₁ и О₂, в полях В1, В2 – номера РОН, в которых находятся значения их базовых адресов, в полях D 1, D2 – значения смещений относительно базовых адресов соответственно 1 и 2-го операндов. Команды формата SS используются для выполнения арифметических и логических операций над переменными, объявленными в форматах «Р», «H», «F», «E», «D» и др.

Задание 5. Используя формат команды SS, заполнить поля команды информацией в 16-ой СС и представить внутреннее содержимое использованных РОН и полей ОП до и после выполнения операции. КОП = FA – операция сложения целых десятичных чисел, представленных в форме с фиксированной запятой (формат «Р»). Для представления значений операндов использовать поля ОП длиной по два байта, соответственно L = 2 . Значение 1-го операнда О₁ = +56₁₀, значение 2-го операнда О₂ = +34₁₀. Базовые адреса 1 и 2-го операндов В1 = 00АА0000₁₆, В2 = 00ЕЕ0000₁₆, смещения операндов относительно базовых адресов D1 = 600₁₆, D2 = 900₁₆. После выполнения операции результат помещается по месту 1-го операнда.

Этапность выполнения задания 5:

1. Записать 16-ричное представление полей машинной команды:

0 7 8 15 16 23 24 31 32 35 36 47

2. Выполнение операции сложения сводится к следующим действиям: значения 1 и 2-го операндов суммируются. Результат операции РЗ = 90₁₀ помещается в ОП на место 1-го операнда.

3. Содержимое РОН с номерами 2 и 3, в которых находятся значения базовых адресов 1 и 2-го операндов до и после выполнения операции в 16-ричной СС приведено на рис. 7.10.

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис. 7.10. Содержимое РОН до и после выполнения

машинной команды

4. Исполнительный адрес 1-го операнда определяется по формуле (7.4) и будет иметь значение:

А1 = 00АА0000₁₆ + 600₁₆ = 00АА0600₁₆ .

Исполнительный адрес второго операнда определяется также по формуле (7.4) и будет иметь значение:

А2 = 00ЕЕ0000₁₆ + 900₁₆ = 00ЕЕ0900₁₆.

5. Содержимое полей ОП, закрепленных за 1 и 2-м операндами
до и после завершения выполнения машинной команды представлено на рис. 7.11.

До выполнения После выполнения

машинной команды машинной команды

Рис.7.11. Содержимое ОП до и после выполнения машинной команды.

На основании подробного рассмотрения 5 форматов машинных команд, можно сделать выводы о том, что ассемблированная форма представления «управляющей информации» для 32-, 64-разрядных машин идентична ассемблерам, которые используются в 16-разрядных микроконтроллерах. Причем у 16-разрядных микроконтроллеров может быть значительно больший по объему набор команд (до 256). Инвариантность «форматов команд» по отношению к емкости основной памяти обеспечивается за счет использования относительной адресации. При таком способе адресации предельный объем памяти определяется исходя из максимально возможных значений базовых адресов.

В современных 32-разрядных ЭВМ выборка машинных команд из памяти в центральный процессор осуществляется порциями по 2 байта. Применение команд различных форматов, в особенности с короткими адресами, относящимися к регистровой памяти, кроме отмеченного выше сокращения частоты обращения к основной памяти, способствует уменьшению объемов программ и экономии адресного пространства ОП.

Заключение

Вопросы внутри машинного представления информации на протяжении всего времени развития электронно-вычислительной техники имели актуальное значение. За 70 лет достигнуты серьезные успехи в этом направлении. Разработчиками пройден нелегкий путь от реализации обработки чисел в форме с фиксированной запятой в ЭВМ 1-ого поколения до возможности обработки мультимедийной информации. Несмотря на то, что в настоящее время не все существующие виды информации, используемые человеком, можно обработать в ЭВМ, успехи в этой области достигнуты колоссальные. Глубокое понимание внутри машинного представления информации, безусловно, позволит пользователям ЭВМ боле грамотно разрабатывать и эксплуатировать программные продукты. Одной из целей издания настоящего пособия, была попытка в какой-то степени восполнения существующих пробелов в современной литературе по внутри машинному представлению информации. В рамках одного пособия, безусловно, сложно было осветить внутри машинное представление всех перечисленных в Главе 4 видов информации. Автор предполагает восполнить эти пробелы в следующих работах.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Таблица КОИ-7 Н₀

Примечание.

Таблица содержит буквы регионального алфавита.

Двоичный код любого символа этой таблицы определяется следующим образом: правые 4 бита символа соответствуют номеру строки, в которой находится требуемый символ, а левые 3 бита – номеру колонки таблицы, содержащей данный символ.

Таблица КОИ-7 Н₁