Типи машинных операций

Существует несколько типов машинных операций:

1. Арифметико-логические

2. Операции пересылки

3. Переходы управления

4. Операции ввода-вывода

5. Специальные операции (системные операции)

Рассмотрим команду на примере действия A:=B+C:

Ас – адрес результата

А_B – адрес второго операнда

А_А – адрес первого операнда

А_сл.к. – адрес следующей команды

Операнды указаны всегда в порядке использования.

Принудительная адресация – позволяет увеличить быстродействие. Но она имела смысл, только пока не было большой электронной памяти.

Если мы сделаем специальную ячейку памяти, которая будет всегда указывать на следующую команду, то есть содержать ее адрес. Таким образом, мы можем уменьшить размер команды.

Если же мы будем теперь для сохранения результата вычислений использовать одну из ранее используемых переменных, то команда у нас преобразится в двухадресную.

Теперь одну из ячеек памяти объявим накопительной, то есть, аккумулятором. В эту ячейку у нас всегда будет складываться результат наших вычислений. Таким образом, команда у нас станет одноадресной.

И, наконец, сделаем специальный стек, в котором будут храниться и команды и данные (так называемая польская нотация). Теперь нам не нужно чтобы в команде хранились адреса операндов, так как они будут храниться в заранее известном месте стека.

Так мы получили безадресную систему команд, которая используется в калькуляторах. Уменьшенная адресность машины дает большее быстродействие.

Системы адресации

Существует четыре основных вида адресации:

1. Классическая (прямая). Эта адресация подразумевает указание в поле команды адреса операнда. Есть два подвида этой адресации – короткая, когда указан регистр, в котором лежит операнд, и длинная, когда указан абсолютный адрес операнда.

2. Непосредственная. При этой адресации в теле команды находится сам операнд, а не его адрес.

3. Косвенная. В этом случае в команде указывается адрес ячейки, в которой хранится адрес операнда.

4. Относительная. Относительная адресация похожа на классическую с той разницей, что указывается не абсолютный адрес операнда, а смещение операнда относительно самой команды.

Построение вычислительной машины

Любая вычислительная машина строится для решения какой-то определенной задачи. Для решения задачи разрабатывается алгоритм, который реализуется программой. Программа состоит из команд, которые в свою очередь состоят из операций. Операции делятся на микрозадачи. Микрозадачи реализуются микроалгоритмами, для которых делаются микропрограммы. Которые так же, как и программы, состоят из микрокоманд. Микрокоманды делятся на микрооперации, такие, как сложение, пересылка и т.д. И того, для построения вычислительной машины нам нужно сделать схемы для выполнения микроопераций. Это можно реализовать двумя путями – методом закрепления и методом обобщения.

Метод первый – методика закрепления. В этом методе за каждой операцией закрепляется отдельная своя комбинационная схема.

Данная комбинационная схема реализует сложение B и С, результат кладется в A. Y – управляющий сигнал.

Методика закрепления используется при построении конвейерных вычислительных устройств. В таких устройствах используется распараллеливание вычислений. К примеру, нам нужно проделывать два действия – A:=B+C и D:=A/E .

Чтобы не использовать два отдельных регистра для хранения одного и того же числа объединим их в один регистр.

Теперь если нам нужно проделывать эти два действия, то, в то время как вторая комбинационная схема будет проделывать деление, первая уже сможет складывать следующие два числа. Таким образом, скорость повысится вдвое. Если, каким-то образом, мы увеличим количество ступеней нашего конвейера, то скорость также увеличится. То есть, сколько ступеней у конвейера, столько и команд находится в обработке на разных этапах.

Чтобы согласовать запись в элементы памяти и чтение из них, нам понадобится тактовый сигнал. Периодичность тактового сигнала определяется задержкой регистра источника и задержкой комбинационной схемы.

Т – период тактового сигнала. Вычисляется по формуле:

T = max {τ_кс} + τ_Рг

Конвейер выгоден только тогда, когда поток данных постоянен, то есть тогда, когда конвейер загружен. Время загрузки конвейера – время получение одного результата.

Метод второй – методика обобщения

Этот метод заключается в том, что в отдельной памяти содержится множество слов, а в отдельной комбинационной схеме содержится множество операций.

У этого метода есть один серьезный недостаток – операции выполняются последовательно, то есть только одно действие в единицу времени. Плюс же в том, что мы уменьшаем аппаратные затраты.

«Объем оборудования» * «Время решения задачи» → const

Для уменьшения время решения задачи можно использовать методику закрепления, при этом повышаются затраты на оборудование.

Для уменьшения затрат на оборудование можно использовать методику обобщения, при этом увеличивается время решения задачи.

Схем, построенных по какой-то одной методике, не существует, все схемы представляют собой компромиссы между двумя методиками.