Функционирование любой фоннеймановской эвм описывается алгоритмом, близким к приведенному выше, и представляет собой последовательность достаточно простых действий.

Еще большее изумление у человека, незнакомого с вычислительной техникой, вызывает тот факт, что все разнообразие решаемых на ЭВМ задач реализуется с помощью небольшого набора очень простых команд. Система команд у типичной ЭВМ включает в себя всего 60 - 150 базовых команд. Все команды, в основном, служат для выполнения очень простых действий, таких как, прочитать, запомнить, сложить, сдвинуть, сравнить, и т. д. Интеллектуальность ЭВМ достигается за счет того, что ЭВМ способна выполнять программы, состоящие из большого числа таких простых действий с огромной, недостижимой для человека скоростью.

Команды эвм

В данном разделе пособия кратко рассмотрим набор команд, используемых в типичных ЭВМ и действия, реализуемые этими командами.

При описании системы команд ЭВМ обычно принято классифицировать команды по функциональному назначению, длине, способу адресации и другим признакам. Способы классификации команд по различным признакам показаны на рис. 4. Мы рассмотрим основные группы команд, придерживаясь классификации команд на группы по функциональному признаку.

Команды передачи данных. Данная группа команд включает в себя подгруппы команд передачи кодов между регистрами внутри процессора, из регистров процессора в память, из памяти в регистры процессора, из одних ячеек памяти в другие и передачи данных между процессором и портами внешних устройств. Отдельную подгруппу составляют команды работы со стеком. Они позволяют включать данные в стек для временного сохранения и извлекать данные из стека при необходимости их использования. Подробнее назначение и принципы использования стеков в ЭВМ рассмотрим ниже при обсуждении работы с подпрограммами и прерываниями.

Команды обработки данных. Данную группу команд с точки зрения выполняемых над данными операций можно подразделить на арифметические (сложить, вычесть, умножить и т. д), логические (операции “И”, “ИЛИ”, “НЕ” и т. д.) и команды сдвига. Команды этого типа могут иметь один или два операнда. Операнды могут храниться в регистрах центрального процессора, в памяти или в самой команде. Результат операции формируется в регистре - приемнике или в специализированном регистре - аккумуляторе. Команды данной группы формируют признаки результатов, устанавливаемые в регистре флагов процессора: перенос из старшего разряда, переполнение, нулевой результат и др. К арифметическим командам относят также и команды сравнения. Обычно для сравнения двух чисел процессор выполняет операцию вычитания. По результату вычитания устанавливаются флаги во флаговом регистре процессора. Очевидно, что если сравниваемые величины равны, результат вычитания будет нулевым и во флаговом регистре установится флаг нулевого результата. Если первая из сравниваемых величин больше - результат вычитания будет отрицательным и установится флаг отрицательного результата и т. д. Результат вычитания не сохраняется в памяти, по состоянию флагового регистра можно судить о результатах сравнения двух величин. Многие процессоры имеют команды сравнения операнда с нулем. В некоторых процессорах имеются команды проверки или щустановки состояния отдельных битов в операнде.

Команды передачи управления имеют важное значение, т.к. используются для изменения естественного порядка следования команд и организации циклических участков в программах.

Простейшей командой передачи управления является команда безусловного перехода JMP <адрес>, которая загружает адрес перехода, указанный в команде в программный счетчик.

Команды условного перехода проверяют указанное в команде условие и модифицируют программный счетчик, если условие истинно. Обычно команды условного перехода используются после команд, изменяющих состояние флагового регистра (например, команд сравнения). При проверке условия производится сравнение состояния одного или нескольких флагов из флагового регистра с комбинацией, указанной в коде команды условного перехода. Модификация программного счетчика может производиться либо загрузкой в него нового значения, либо сложением его со смещением, указанным в команде. Например, оператор

IF (A>B) then goto L;

некоторого языка высокого уровня может быть реализован, примерно, такой последовательностью команд:

СРАВНИТЬ A и B

ПЕРЕЙТИ ЕСЛИ БОЛЬШЕ К АДРЕСУ L .

Первая из команд (сравнение) производит, как отмечалось выше, вычитание значения операнда B из операнда A. Если A>B, то результат будет положителен и, соответственно, флаг знака во флаговом регистре не установится. Вторая команда (условный переход) анализирует состояние флага знака и, если он не установлен, модифицирует программный счетчик так, чтобы его значение указывало на адрес L.

Команды для работы с подпрограммами. Стеки. В практике программирования широко используется такой прием, как организация подпрограмм. Подпрограмма описывается один раз, а использоваться (вызываться) может из различных мест программы. При этом, после того, как подпрограмма закончила свою работу управление должно быть передано туда, откуда подпрограмма была вызвана, на команду, следующую в памяти сразу за командой обращения к подпрограмме. Адрес команды, на которую управление передается после окончания работы подпрограммы, называется адресом возврата. Очевидно, что для того, чтобы начать выполнять подпрограмму, в программный счетчик необходимо загрузить адрес первой команды подпрограммы. Для осуществления возврата из подпрограммы необходимо запомнить в каком-то месте адрес возврата. Можно, например, сохранить адрес возврата в одном из регистров процессора. Такой способ сохранения адреса возврата очень прост и легко реализуется. Однако он обладает одним существенным недостатком. Достаточно часто встречаются подпрограммы, которые вызывают другие подпрограммы. Пусть основная программа вызвала подпрограмму А. Она в свою очередь обратилась к подпрограмме В. Если адрес возврата для подпрограммы А хранится в регистре процессора, то куда девать адрес возврата при вызове подпрограммы В?

Для организации подпрограмм большинство ЭВМ используют аппаратно поддерживаемую структуру данных, называемую стеком. Стек - это структура данных, организованная по принципу - последним вошел - первым вышел, т. е. последние записанные в стек данные извлекаются из него первыми. В переводе с английского stack - стопка. Аналогом стека может служить стопка тарелок. Положить тарелку в стопку можно только сверху, извлечь - опять-таки только верхнюю тарелку. В ЭВМ для организации стека выделяется область оперативной памяти, а для ее адресации и доступа к стеку используется упоминавшийся выше регистр - указатель стека. Указатель стека хранит адрес ячейки памяти, содержащей последнее помещенное в стек значение. При записи числа в стек указатель стека модифицируется так, чтобы он указывал на следующую свободную ячейку, и в нее записываются данные. При извлечении из стека данные считываются из ячейки, на которую указывает указатель стека, затем указатель стека модифицируется так, чтобы указывать на предпоследнее запомненное значение. Обычно стеки растут в сторону уменьшения адресов, т.е. при записи числа указатель стека уменьшается, при извлечении - увеличивается. Работа стека проиллюстрирована на рис. 5. Изначально указатель стека содержал значение 1000. После проталкивания в стек двух величин размером в два байта указатель стека будет содержать значение 996. После выталкивания одного двухбайтового числа указатель стека содержит 998.

-1000		0011	1000
Указатель стека			998
			996
а) начальное состояние
996		0011		1000
Указатель стека		1234		998
		5678		996
б) в стек записаны два двухбайтовых числа 1234 и 5678
998		0011	1000
Указатель стека		1234	998
			996
в) из стека извлечено одно двухбайтовое число
Рис. 5. Иллюстрация работы стека

При организации работы с подпрограммами для сохранения адреса возврата используется стек. Команды вызова подпрограмм CALL <адрес> работают следующим образом. Когда процессор считывает из памяти команду вызова подпрограммы, программный счетчик увеличивается и показывает на команду, следующую за командой вызова подпрограммы. С этой команды выполнение программы должно продолжиться после окончания работы подпрограммы. Таким образом, программный счетчик после выборки команды вызова подпрограммы содержит адрес возврата. При выполнении обращения к подпрограмме процессор сохраняет содержимое программного счетчика в стеке. Адрес, с которого начинается подпрограмма, вычисляется процессором по адресному полю команды вызова подпрограммы и помещается в программный счетчик. Процессор приступает к выполнению подпрограммы. Если подпрограмма в процессе своей работы вызовет другую подпрограмму, новое значение адреса возврата будет также включено в стек поверх старого значения адреса возврата.

Для возврата из подпрограммы в основную программу служат команды возврата RETURN. Команды возврата из подпрограммы извлекают из стека верхний элемент и помещают его в программный счетчик. Если имели место несколько вложенных вызовов подпрограмм, то возврат произойдет по адресу возврата, сохраненному после последнего вызова, так как для хранения адресов возврата используется стек и последний сохраненный адрес возврата будет использован первым.

Прочие команды. В ЭВМ могут иметься дополнительные (специальные) команды. К их числу можно отнести команды останова центрального процессора, сброса внешних устройств, установки или сброса отдельных признаков и т.д.