Организация ЭВМ и систем Архитектура системы команд

Организация ЭВМ и систем

Архитектура системы команд Понятия: система команд и архитектура системы команд

Время выполнения программы (Твыч) Твыч =Nком х CP 1 х пр

Взаимосвязь между системой команд и факторами, определяющими эффективность вычислений Исходный код на языке высокого уровня Оптимизирующий компилятор Система команд Nком Выборка команд Декодирование команд CP 1 и пр Объектный код на машинном языке Исполнение команд

Общая характеристика архитектуры системы команд ВМ складывается из ответов на следующие вопросы: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Какого вида данные будут представлены в вычислительной машине и в какой форме? Где эти данные могут храниться помимо основной памяти? Каким образом будет осуществляться доступ к данным? Какие операции могут быть выполнены над данными? Сколько операндов может присутствовать в команде? Как будет определяться адрес очередной команды? Каким образом будут закодированы команды?

КЛАССИФИКАЦИЯ АРХИТЕКТУР СИСТЕМЫ КОМАНД

Архитектура систем команд Аккумуляторная архитектура (EDSAC, 1950) Регистровая архитектура (IBM 360, 1964) Архитектура с полным набором команд - CISC (VAX, Intel 432, 1977 -80) Стековая архитектура (В 5500, В 6500, 1963 -66) Архитектура с выделенным доступом к памяти - Load / Store (CDC 6600, Cray I, 1963 -76) Архитектура с сокращенным набором команд - RISC (Mips, Sparc, IBM RS 6000, . . . 1987) Архитектура с командными словами сверхбольшой длины - VLIW (Itanium, конец 1990 -х) Архитектура с безоперандным набором команд - ROSC (IGNITE, ИТФ «Технофорт» , 2001)

Классификация по составу и сложности команд Три подхода • архитектура с полным набором команд: CISC (Complex Instruction Set Computer); • архитектура с сокращенным набором команд: RISC (Reduced Instruction Set Computer); • архитектура с командными словами сверхбольшой длины: VLIW (Very Long Instruction Word).

Классификация по месту хранения операндов Виды архитектур системы команд: • стековая; • аккумуляторная; • регистровая; • с выделенным доступом к памяти.

Стековая архитектура Стек образует множество логически взаимосвязанных ячеек, взаимодействующих по принципу «последним вошел, первым вышел» (LIFO, Last In First Out).

Стековая архитектура Принцип действия стековой памяти

Приоритеты операций в обратной польской нотации Операция Символ операции Приоритет Открывающая скобка ( 0 Закрывающая скобка ) 1 Сложение|вычитание +|- 2 Умножение|деление *|/ 3 Возведение в степень ** 4

Формирование обратной польской записи для выражения а = а + b + а х с Просматриваемый символ 1 2 3 4 5 6 7 Входная строка a + b + a x c Состояние стека последовательности операций Выходная строка + a x + b + а = ab+acх+ (постфиксная форма) 9 + + a 8 c x +

Формирование выходной строки в обратной польской нотации 1. Исходная строка с выражением просматривается слева направо. 2. Операнды переписываются в выходную строку. 3. Знаки операций заносятся в стек последовательности операции (СПО) по следующим правилам: - если СПО пуст, то операция из входной строки переписывается в СПО; - операция выталкивает из СПО в выходную строку все операции с большим или равным приоритетом; - если очередной символ из исходной строки есть открывающая скобка, то он проталкивается в СПО; - закрывающая круглая скобка выталкивает все операции из СПО до ближайшей открывающей скобки, сами скобки в выходную строку не переписываются, а уничтожают друга.

Последовательность вычисления выражения а = ab+acх+ на ВМ со стековой архитектурой push a push b add push a push c mul add a b a+b a c a*c a+b+a*c a+b a a+b pop a

Достоинства АСК на базе стека: • возможность сокращения адресной части команд; • код программы получается компактным; • достаточно просто реализуется декодирование команд. Недостатки: • стековая АСК по определению не предполагает произвольного доступа к памяти, из-за чего компилятору трудно создать эффективный программный код; • стек становится «узким местом» ВМ в плане повышения производительности.

Аккумуляторная архитектура Для хранения одного из операндов арифметической или логической операции в процессоре имеется выделенный регистр — аккумулятор. В этот же регистр заносится и результат операции. Достоинства: короткие команды и простота декодирования команд. Недостатки: наличие всего одного регистра порождает многократные обращения к основной памяти.

Регистровая архитектура В машинах данного типа процессор включает в себя массив регистров (регистровый файл), известных как регистры общего назначения (РОН). Расположение операндов осуществляется в одной из двух запоминающих сред: основной памяти или регистрах. Выделяю три подвида команд обработки: • регистр-регистр; • регистр-память; • память-память.

Достоинства регистровых АСК: компактность получаемого кода, высокая скорость вычислений за счет замены обращений к основной памяти на обращения к быстрым регистрам. Недостатки: данная архитектура требует более длинных инструкций по сравнению с аккумуляторной архитектурой

Архитектура с выделенным доступом к памяти Обращение к основной памяти осуществляется только с помощью двух специальных команд: load и store. Достоинства АСК: простота декодирования и исполнения команды.

ТИПЫ И ФОРМАТЫ ОПЕРАНДОВ

Числовая информация

Числа в форме с фиксированной запятой

Числа вида X = ± an-1. . . a 1 a 0 a-1 a-2. . . a-r Формат представления чисел с фиксированной запятой Целая часть числа qn-1 Знак an-1 q 1 … q 0 a 1 a 0 Дробная часть числа q-1 , q-2 a-1 a-2 q-r … a-r При заданных значениях п и r диапазон изменения модулей чисел определяется соотношением Q-r = |X| = qn – q-r.

Представление дробных чисел в формате ФЗ Формат без знакового разряда 2 -1 2 -2 Формат со знаковым разрядом 2 -(n-3) 2 -(n-2) 2 -1 2(n-2) 2(n-1) Знак 0 1 n-2 n-1 2 -(n-2) <=X <=1 -2 -(n-2) 0 1 n-2 n-1 2 -(n-1) <=abs(X) <=1 -2 -(n-1)

Представление целых чисел в формате ФЗ Формат без знакового разряда 2 n-1 2 n-2 21 Формат со знаковым разрядом 20 2 n-2 21 20 1 n-2 n-1 Знак 0 1 n-2 0 <= X <= 2 n-1 0 0 <= abs(X) <= 2 n-1 -1

Упакованные целые числа

Десятичные числа Используются два формата представления десятичных чисел (все числа рассматриваются как целые): зонный (распакованный) и уплотненный (упакованный). Из оставшихся задействованных шести четырехразрядных двоичных комбинаций (24=16) две служат для кодирования знаков «+» и «-» . Например, в ВМ семейства IBM 360/370/390 для знака «плюс» выбран код 11002 = С 16, а для знака «минус» - код 11012 = D 16

Форматы десятичных чисел: а - зонный; б - уплотненный Байт Зона Цифра Байт … Зона Цифра Байт Знак Цифра а Байт Цифра Байт … б Цифра Байт Цифра Знак

Представление числа -7396 в зонном формате Байт Зона 7 Байт Зона 3 Байт Зона 9 1111 0011 Байт Минус 6 1001 1101 0110 Представление числа -7396 в упакованном формате Байт 0 7 3 9 6 Минус 0000 0111 0011 1001 0110 1101

Числа в форме с плавающей запятой Каждое число разбивается на две группы цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, вторая - порядком. Число представляется в виде произведения X = ±mq±p, где т - мантисса числа X, р - порядок числа, q - основание системы счисления.

Форма представления чисел с плавающей запятой Модуль порядка Знак m Знак р Pr-1 … P 1 Модуль мантиссы P 0. m-1 m-2 … m-n