Архитектура системы команд

Введение

Система команд электронной вычислительной машины — это весь список команд, которые может исполнить данное вычислительное устройство. При этом, архитектурой системы команд является набор тех средств компьютерного оборудования, которые видимы и могут быть доступными программисту. Архитектуру системы команд следует воспринимать в качестве линии, согласующей нужды проектировщиков программ с возможностями разработчиков модулей вычислительной техники.

Архитектура системы команд

Архитектура системы команд является интерфейсом, связывающим программное и аппаратное обеспечение, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 1. Архитектура системы команд. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В результирующем итоге, целью программного и аппаратного обеспечения является обеспечение наиболее эффективной реализации вычислительного процесса. То есть минимизация времени вычислений, и, с этой точки зрения, очень важным является правильный выбор архитектуры системы команд.

Проще говоря, время исполнения программы, то есть время вычислений Tвыч, может быть определено через количество команд в программном приложении Nком, усреднённое число тактов процессора, отводимых на выполнение одной команды CPI, и размер тактового периода τпр:

Tвыч = Nком • CPI • τпр.

Все составляющие этой формулы имеют зависимость от определённых аспектов архитектуры системы команд, и, при этом, могут влиять на другие, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 2. Система команд. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Следовательно, нужно очень внимательно подходить к подбору архитектуры системы команд.

Обобщённые характеристики архитектуры системы команд компьютерного оборудования формируется на основе ответов на следующий набор вопросов:

1. Какой тип данных будет использован в компьютере, и в каком формате?
2. В каких ещё местах, кроме главной памяти, могут быть сохранены информационные данные?
3. Как может быть осуществлён доступ к информации?
4. Какой перечень операций может осуществляться над информационными данными?
5. Какое количество операндов допускается в команде?
6. Каким образом может быть определён адрес следующей команды?
7. Как будет выполняться кодирование команд?

История прогресса в сфере вычислительного оборудования, будто зеркало, отображает все изменения, которые происходят в отношениях проектировщиков к перспективам различных архитектур системы команд.

Мотивация, которая предопределяет обращение к новому типу архитектуры системы команд, заключается в следующих аспектах:

1. Набор операций, которые может выполнить вычислительная техника, и их уровень сложности.
2. Место расположения операндов, влияющее на число и размер адресов, которые указываются в адресном участке команд работы с данными.

Сегодняшние технологии программирования базируются на языках высокого уровня, основной целью которых является облегчение процесса программирования. Однако ориентация на высокоуровневые языки порождает существенную проблему, а именно, сложные операторы, типичные для языков высокого уровня, имеют существенные отличия от обычных машинных процедур, выполняемых практически во всех компьютерах. Как следствие, выполнение программ на компьютере может оказаться низкоэффективным. Данная проблема именуется семантическим разрывом, и для её решения проектировщики вычислительного оборудования сегодня могут выбрать следующие подходы и соответствующие им типы архитектуры системы команд:

1. Архитектура, имеющая полный командный набор, то есть CISC(Complex Instruction Set Computer).
2. Архитектура, имеющая сокращённый командный набор, то есть RISC (Reduced Instruction Set Computer).
3. Архитектура, имеющая командные слова сверхбольшого размера, то есть VLIW (Very Long Instruction Word).

Архитектура CISC способна преодолеть семантический разрыв путём расширения системы команд, а также дополнением её усложнёнными командами, которые по семантике аналогичны операторам высокоуровневых языков. Основы архитектуры CISC были заложены корпорацией IBM, начавшей использовать этот подход в семействе ЭВМ IBM 360, и продолжает его использовать в нынешних самых производительных универсальных компьютерах, класса мэйнфрейм. Такой же подход использовала и фирма Intel при разработке микропроцессоров серии x86. Архитектура системы команд CISC характеризуется следующими моментами:

1. Присутствие в процессоре относительно малого количества регистров общего назначения.
2. Значительное число машинных команд, некоторые из которых способны аппаратно реализовать сложные операторы высокоуровневых языков.
3. Наличие разнообразных методов адресации операндов.
4. Большое количество форматов команд, имеющих разную разрядность.
5. Имеются команды, в которых обработка совмещена с обращением к памяти.

К типу архитектуры CISC относятся фактически все ЭВМ, которые выпускались до середины восьмидесятых годов прошлого века, и очень много ЭВМ, выпускающихся сегодня.

Однако, подробный анализ, проведённый специалистами, привёл к существенному пересмотру стандартных решений, что и привело к разработке архитектуры RISC. Её основной идеей было ограничение перечня команд вычислительного устройства наиболее часто применяемыми самыми простыми командами, работающими с данными, находящимися лишь в регистрах процессоров. Обращение к памяти возможно только при помощи специализированных команд чтения и записи. Сильно сократилось число форматов и методов задания адресов операндов. Данные меры дали возможность сильно упростить аппаратное обеспечение ЭВМ и повысить уровень быстродействия.

Основой архитектуры VLIW является также архитектура RISC. В VLIW набор несложных команд RISC соединён в единую сверхбольшую команду, и они исполняются параллельно. В остальном архитектура системы команд VLIW аналогична RISC, а отличие состоит только в добавочном уровне параллельных вычислений.