Пример: система команд процессоров семейства PDP

В качестве примера реально существующего процессора, удобного для более детального изучения, возьмем процессор серии машин, созданных фирмой DEC (США) и известных под названием PDP-11 (в нашей стране аналогичные процессоры использовались в семействах 16-разрядных мини- и микро-ЭВМ «Электроника», ДВК, БК, а также в школьном компьютерном классе УКНЦ; всего таких машин было выпущено в СССР до 1,3 млн. штук и примерно столько же в США). Это семейство мини- и микро-компьютеров - одно из самых долгоживущих: первая машина этой серии была выпущена в 1970 г., а прекращение выпуска было запланировано фирмой DEC на 1997 г.

Причина выбора процессора PDP для иллюстрации обсуждаемого вопроса состоит в том, что система команд этого процессора построена на простых и наглядных принципах, изучив и запомнив которые уже можно составлять несложные программы. В то же время система команд других процессоров, например, широко распространенных представителей семейства «Intel», устроена значительно сложнее, требует запоминания большого количества справочных данных. В качестве подтверждения сказанного достаточно указать, что в команде процессора PDP может быть использован любой из имеющихся внутренних регистров, тогда как многие команды процессоров «Intel» оперируют с фиксированными регистрами, не допуская альтернативного расположения данных и результатов.

Процессор машин серии PDP и его отечественные аналоги (при дальнейшем изложении будем все это обширное семейство для краткости называть «процессор PDP») с точки зрения программиста устроен довольно просто. Он состоит из восьми регистров общего назначения (РОН) и особого регистра, в котором отображается текущее состояние процессора (в иностранной литературе его принято обозначать PSW - Processor Status Word). Любой из регистров общего назначения может быть использован в командах на равных основаниях. Вместе с тем имеются два выделенных регистра, содержимое которых процессор использует для собственных нужд. Прежде всего следует назвать регистр R7, выполняющий роль счетчика команд, в котором хранится адрес следующей инструкции программы. Другим выделенным регистром является указатель стека R6, используемый при запоминании информации в момент вызова подпрограмм и при переходе к обработке прерывания.

Остальные 6 регистров, обозначаемые RO, Rl. R2, R3, R4, R5, программист может полностью использовать по своему усмотрению. Имеется только одно (непринципиальное) исключение: в обширной системе команд PDP существует лишь единственная, и то достаточно экзотическая, команда (MARK), работающая с регистром R5.

Следует отметить, что и выделенные регистры процессора R6 и R7 могут быть использованы в любой команде наряду с обычными РОН RO-R5. Например, допускается переписать информацию из R7 в R3 и тем самым сообщить программе адрес памяти, в котором находится следующая команда программы. Такой прием очень часто используется программистами для автоматической «самонастройки» на те адреса ОЗУ, в которых оказалась загруженной программа. Интересно, что такого простого доступа к содержимому программного счетчика многие процессоры не имеют.

Рис. 4.14. Схема регистра состояния процессора PDP

Регистр состояния процессора PSW, как и все РОН, является 16-битным. Его особенностью является то, что каждый его бит имеет самостоятельное значение и может использоваться процессором отдельно от других. В управляющих битах регистра постоянно отображается информация о выполняемых результатах (отрицательность, равенство нулю и т.п.), а также о состоянии процессора в данный момент (например, один из битов позволяет разрешать или запрещать обработку прерывании). Из всех используемых битов (не все 16 бит регистра состояния задействованы!) наиболее используемы два; их принято обозначать N и Z. Управляющий признак N (Negative) отражает знак результата операций: если число отрицательное, то N = 1, неотрицательное - N = 0. Бит Z (Zero) говорит о равенстве или неравенстве нулю результата: в первом случае Z = 1, во втором - Z = 0. Путем несложных рассуждений можно убедиться в том, что из шести известных математических соотношений

=, <, >, ≤, ≥, ≠

четыре могут быть проанализированы по одному из признаков, а два оставшихся требуют совместного анализа битов N и Z.

Другие управляющие биты, изображенные на рисунке, используются следующим образом. Бит Р - задание маскировки прерываний от внешних устройств (Р = 0 -прерывание состоится. Р = 1 - замаскировано). Бит Т - «признак ловушки»; при Т = 1 после прерывания запускается специальная системная программа, позволяющая на этапе отладки текущей программы осуществлять режим трассировки. Бит V -признак переполнения разрядной сетки при арифметической операции (если это произошло, устанавливается V = 1); бит С - аналогично при переполнении разрядной сетки при логической операции, сопровождаемой сдвигом кода. Описанные управляющие признаки широко используются для реализации разветвлений программы в зависимости от полученных результатов, анализа причин прерываний и других действий.

Процессор PDP имеет достаточно удобный и широкий набор команд. Основная их часть является двухадресными и одноадресными, т.е. они обрабатывают два или один операнд, соответственно. Для выполнения некоторых управляющих команд данные не требуются (например, команда остановки программы) - такие команды не содержат ссылок на операнды. Форматы одно- и двухадресных команд изображены ниже на рис. 4.15.

Рис.4.15. Формат одноадресной команды (вверху) и двухадресной (внизу). КОП - код операции. КМА - код метода адресации, N РОН - номер регистра общего назначения (код адреса)

Примеры некоторых наиболее важных операций приведены в табл. 4.2. Действия, выполняемые по простейшим арифметическим операциям, понятны из пояснений. В некоторых дополнительных пояснениях нуждаются только команды переходов.

Во-первых, переходы бывают абсолютные (на заданный адрес) и относительные (на определенное число команд относительно данной). Переходы первого типа более наглядны и могут быть реализованы на любой адрес ОЗУ. Относительные переходы требуют вычисления адреса перехода, зато они не привязаны к конкретным адресам ОЗУ: программа, использующая относительные переходы, может работать в любом месте памяти. Относительные переходы занимают меньше места в памяти, чем абсолютные; вследствие этого диапазон относительных переходов ограничен (в процессоре PDP только на 127 слов вперед и 128 - назад).

Таблица 4.2