- •Раздел 2 принципы построения и функционирования эвм и вычислительных систем (вс)
- •2.1. Структура эвм
- •2.2. Системы счисления
- •2.3. Формы представления чисел
- •2.3.1. Форма представления чисел с фиксированной точкой
- •2.3.2. Форма представления чисел с плавающей точкой
- •2.3.3. Форматы двоично-десятичных чисел
- •2.3. Машинные коды
- •2.3.1. Прямой код
- •2.3.2. Обратный код
- •2.3.3. Дополнительный код
- •2.4. Перевод чисел из одной системы представления в другую
- •2.4.1. Перевод между основаниями, составляющими степень двойки
- •2.4.2. Перевод целого числа из десятичного счисления в другое
- •2.4.3. Перевод дробного числа из десятичного счисления в другое
- •2.4.4. Перевод чисел в десятичную систему счисления
- •2.5. Арифметические действия над двоичными числами
- •2.5.1. Сложение
- •2.5.2. Вычитание
- •2.5.3. Умножение
- •2.5.4. Деление
- •2.6. Понятие алгебры логики
- •2.7. Простейшие логические функции
- •2.7.1. Логическая операция конъюнкция (логическое умножение)
- •2.7.2. Логическая операция дизъюнкция (логическое сложение)
- •2.7.3. Логическая операция инверсия (отрицание)
- •2.7.4. Логическая операция сложение по модулю 2
- •2.7.5. Логическая операция эквивалентность (функция тождества)
- •2.7.6. Логическая операция импликация (логическое следование)
- •2.7.7. Функция Шеффера
- •2.7.8. Стрелка Пирса ав, или функция Вебба a b
- •2.8. Основные правила преобразования формул
- •2.9. Кодирование текстовой информации
- •2.10. Составные части компьютера
- •2.11. Логические элементы
- •2.12. Триггеры
- •2.12.1. Общие сведения о триггерах
- •2.12.2. Асинхронный rs-триггер
- •2.12.3. Синхронный rs-триггер
- •2.12.3. Двухтактный rs-триггер
- •2.12.4. Асинхронный и синхронный d-триггеры
- •2.12.5. T-триггер
- •2.12.6. Jk-триггер
- •2.13. Типовые узлы комбинационного типа
- •2.13.1. Дешифраторы
- •2.13.2. Одноразрядный сумматор
- •2.13.3. Полусумматор
- •2.13.4. Многоразрядные сумматоры
- •2.13.5. Двоично-десятичные сумматоры
- •2.13.6. Мультиплексоры
- •2.13.7. Демультиплексоры
- •2.14. Типовые узлы накапливающего типа
- •2.14.1. Регистры
- •2.14.2. Счетчики
- •2.14.3. Двоично-десятичные счетчики
- •2.15. Классификация архитектур системы команд
- •2.15.1. Классификация по составу и сложности команд
- •2.15.2. Классификация по месту хранения операндов
- •2.15.3. Стековая архитектура
- •2.15.4. Аккумуляторная архитектура
- •2.15.5. Регистровая архитектура
- •2.15.6. Архитектура с выделенным доступом к памяти
- •2.16. Типы команд
- •2.16.1. Команды пересылки данных
- •2.16.2. Команды арифметической и логической обработки
- •2.16.3. Операции с целыми числами
- •2.16.4. Операции с числами в форме с плавающей запятой
- •2.16.5. Логические операции
- •2.16.6. Операции сдвигов
- •2.16.7. Операции с десятичными числами
- •2.16.8. Simd-команды
- •2.16.9. Команды для работы со строками
- •2.16.10. Команды преобразования
- •2.16.11. Команды ввода/вывода
- •2.16.12. Команды управления системой
- •2.16.13. Команды управления потоком команд
- •2.17. Формат команд
- •2.17.1. Длина команды
- •2.17.2. Разрядность полей команды
- •2.17.3. Выбор адресности команд
- •2.18. Способы адресации операндов
- •2.18.1. Непосредственная адресация
- •2.18.2. Прямая адресация
- •2.18.3. Косвенная адресация
- •2.18.4. Регистровая адресация
- •2.18.5. Косвенная регистровая адресация
- •2.18.6. Адресация со смещением
- •2.18.7. Относительная адресация
- •2.18.8. Базовая регистровая адресация
- •2.18.9. Индексная адресация
- •2.18.10. Страничная адресация
- •2.18.11. Блочная адресация
- •2.18.12. Распространенность различных видов адресации
- •2.19. Способы адресации в командах управления потоком команд
- •2.20. Функциональная организация фон-неймановской вычислительной машины
- •2.20.1. Устройство управления
- •2.20.2. Арифметико-логическое устройство
- •2.20.3. Основная память
- •2.20.4. Модуль ввода/вывода
- •2.21. Цикл команды
- •2.21.1. Стандартный цикл команды
- •2.21.2. Описание стандартных циклов команды для гипотетической машины
- •2.21.3. Машинный цикл с косвенной адресацией
2.15.1. Классификация по составу и сложности команд
Современная технология программирования ориентирована на языки высокого уровня, главная цель которых – облегчить процесс программирования. Переход к языкам высокого уровня породил серьезную проблему – сложные операторы, характерные для языка высокого уровня, существенно отличаются от простых машинных операций, реализуемых в большинстве вычислительных машин. Проблема получила название семантического разрыва, а ее следствием становится недостаточно эффективное выполнение программ на вычислительных машинах. Пытаясь преодолеть семантический разрыв, разработчики вычислительных машин в настоящее время выбирают один из трех подходов и, соответственно, один из трех типов архитектуры системы команд:
• архитектуру с полным набором команд: CISC (Complex Instruction Set Computer);
• архитектуру с сокращенным набором команд: RISC (Reduced Instruction Set . Computer);
• архитектуру с командными словами сверхбольшой длины: (Very Long Instruction Word).
В вычислительных машинах типа CISC проблема семантического разрыва решается за счет расширения системы команд, дополнения ее сложными командами, семантически аналогичными операторам языка высокого уровня. Основоположником CISC-архитектуры считается компания IBM, которая начала применять данный подход с семейства машин IBM 360 и продолжает его в своих мощных современных универсальных вычислительных машинах, таких как IBM ES/9000. Аналогичный подход характерен и для компании Intel в ее микропроцессорах серии 8086 и Pentium. К типу CISC можно отнести практически все вычислительные, выпускавшиеся до середины 1980-х годов, и значительную часть производящихся в настоящее время.Для CISC-архитектуры характерно:
• наличие в процессоре сравнительно небольшого числа регистров общего назначения;
• большое количество машинных команд, некоторые из них аппаратно реализуют сложные операторы языка высокого уровня;
• разнообразие способов адресации операндов;
• множество форматов команд различной разрядности;
• наличие команд, где обработка совмещается с обращением к памяти.
Рассмотренный способ решения проблемы семантического разрыва вместе с тем ведет к усложнению аппаратуры вычислительной машины, главным образом устройства управления, что, в свою очередь, негативно сказывается на производительности в целом.
Идея RISC-архитектуры заключается в ограничении списка команд вычислительной машины наиболее часто используемыми простейшими командами, оперирующими данными, размещенными только в регистрах процессорах. Обращение к памяти допускается лишь с помощью специальных команд чтения и записи. Резко уменьшено количество форматов команд и способов указания адресов операндов. Сокращение числа форматов команд и их простота, использование ограниченного количества способов адресации, отделение операций обработки данных от операций обращения к памяти позволяет существенно упростить аппаратные средства вычислительной машины и повысить их быстродействие. RISC-архитектура разрабатывалась таким образом, чтобы уменьшить за счет сокращения и . Как следствие, реализация сложных команд за счет последовательности из простых, но быстрых RISC-команд оказывается не менее эффективной, чем аппаратный вариант сложных команд в CISC-архитектуре.
Элементы RISC-архитектуры впервые появились в вычислительных машинах CDC 6600 и суперЭВМ компании Cray Research. Достаточно успешно реализуется RISC-архитектура и в современных вычислительных машинах, например в процессорах Alpha фирмы DEC, серии РА фирмы Hewlett-Packard, семействе PowerPC и т.п.
В последних микропроцессорах фирмы Intel и AMD широко используются идеи, свойственные RISC-архитектуре, так что многие различия между CISC и RISC постепенно стираются.
Архитектура с командными словами сверхбольшой длины (VLIW) базируется на RISC-архитектуре, где несколько простых RISC-команд объединяются в одну сверхдлинную команду и выполняются параллельно. В плане архитектуры системы команд архитектура VLIW сравнительно мало отличается от RISC. Появился лишь дополнительный уровень параллелизма вычислений, в силу чего архитектуру VLIW логичнее адресовать не к вычислительным машинам, а к вычислительным системам.
Таблица 2.14. Сравнительная оценка CISC-, RISC- и VLIW-архитектур
Характеристика |
CISC |
RISC |
VLIW |
Длина команды |
Варьируется |
Единая |
Единая |
Расположение полей в команде |
Варьируется |
Неизменное |
Неизменное |
Количество регистров |
Несколько (часто специализированных) |
Много регистров общего назначения |
Много регистров общего назначения |
Доступ к памяти |
Может выполняться как часть команд различных типов |
Выполняется только специальными командами |
Выполняется только специальными командами |