Архитектура ЭВМ. Лекция 3: Кодирование и тип инструкций процессора.

Создание компьютера: Проектирование и Архитектура

Обзор раздела: В этом разделе рассматривается процесс создания компьютера, начиная с базовых блоков и принципов управления.

Создание компьютера

• Курс по созданию простого компьютера, который будет разбираться на протяжении нескольких лекций.

• Обсуждение риска в проектировании компьютера и важности понимания его структуры.

• Разговор о том, как компьютер хранит и обрабатывает данные через устройства управления.

Проектирование Архитектурного Состояния

Обзор раздела: В данном разделе рассматривается определение архитектурного состояния и системы команд в процессе проектирования компьютера.

Определение Архитектурного Состояния

• Задачи определения архитектурного состояния и системы команд для построения процессора.

• Обсуждение архитектуры процессора, включая систему команд и интерфейс для выполнения операций над данными.

Регистры и Исполнительный Контекст

Обзор раздела: В этой части обсуждаются регистры, исполнительный контекст и операции над данными в рамках архитектуры процессора.

Регистры и Исполнительный Контекст

• Роль регистров в хранении данных для выполнения операций над ними.

Память и регистры в процессоре

Обзор раздела: В данном разделе рассматривается устройство памяти и регистров в процессоре, а также их взаимосвязь.

Устройство памяти

• Память устроена с использованием шины адресов и шины данных.

• Регистровый файл содержит степени двойки регистров.

• Разрядность регистра всегда является степенью двойки.

Работа с регистрами

• Каждый провод кодирует 0 или 1, обеспечивая степень двойки для количества проводов.

• Разработчик сам выбирает количество и назначение регистров.

Именование и использование регистров

Обзор раздела: Здесь обсуждается принцип именования, использования и группировки регистров в процессоре.

Именование регистров

• Регистры могут быть равноправными или относиться к определенным группам (например, общего назначения).

• Существуют специальные регистры для указателей, управления памятью и других целей.

Программирование на ассемблере

• Использование ассемблера для работы с конкретными байтами и операциями над регистрами.

• Названия регистров определяются разработчиком архитектуры процессора.

Проектирование процессора

Обзор раздела: Обсуждение выбора имён для регистров при проектировании процессора.

Выбор имён для регистров

Проектирование системы команд процессора

Обзор раздела: В данном разделе рассматривается проектирование системы команд процессора и ассемблерный язык.

Проектирование системы команд

• Разработчики могут переименовывать инструкции в соответствии с архитектурой.

• Показ задачи построения процессора и его командного набора.

• Описание регистрового файла и ассемблерного языка.

• Сравнение кода на языке C и ассемблере для понимания работы процессора.

Кодирование инструкций в ассемблере

Обзор раздела: Здесь рассматривается кодирование инструкций в ассемблере и работа с операндами.

Кодирование инструкций

• Объяснение работы с операндами в коде на языке C и преобразовании их в инструкции для процессора.

• Пример кодирования перемещения данных из памяти в регистр через ассемблер.

• Использование регистров для выполнения математических операций на примере сложения.

Группировка инструкций процессора

Обзор раздела: Рассмотрение группировки инструкций процессора для оптимизации работы.

Группировка инструкций

• Объяснение необходимости группировки инструкций для упрощения работы процессора.

• Разделение инструкций на классы по структуре операций и использованным регистрам.

Кодирование различных типов инструкций

Обзор раздела: Изучение способов кодирования различных типов инструкций для эффективной работы процессора.

Кодирование типов инструкций

• Анализ форматов операций, поддерживаемых процессором, и возможность деления на группы.

Создание команд для кодирования процессора

Обзор раздела: В данном разделе рассматривается процесс создания команд для кодирования процессора.

Создание команд

• Для кодирования 32 регистров необходимо 5 бит.

• Команды должны содержать определенные поля, зарезервированные для будущего использования.

• Код операции в каждой машинной команде должен содержать часть, определяющую вид операции (сложение, вычитание и т. д.).

• Некоторые опкоды отвечают за инверсию или выбор результата вычислений.

Процесс кодирования команд

Обзор раздела: Здесь описывается процесс кодирования команд для работы с ALU.

Процесс кодирования

• Существует набор инструкций, которые позволяют управлять потоком вычислений.

• Кодируются арифметические операции и указываются регистры для операндов и результатов.

• Операнды обозначены как source и destination, что помогает определить местоположение данных.

Конвертация чисел и работа с командами

Обзор раздела: Рассматривается конвертация чисел и принцип работы с командами.

Конвертация чисел

• Числа могут быть сконвертированы из шестнадцатеричной системы в другие форматы для работы с ALU.

• Immediate позволяет получить данные напрямую из команды без обращения к регистрам.

Управление потоком выполнения программ

Обзор раздела: Обсуждается управление потоком выполнения программ через переходы.

Управление потоком

• Программа может содержать переходы и вызовы функций для управления выполнением.

Перепрыгивание на адрес в программе

Обзор раздела: Объясняется процесс перепрыгивания на адрес в программе.

Перепрыгивание на адрес

Основы кодирования инструкций

Обзор раздела: В этом разделе рассматривается основы кодирования инструкций в риск-процессорах и принципы работы машинного слова.

Кодирование инструкций

• Риск-процессоры имеют команды одинакового размера, что упрощает работу с ними.

• Схема кодирования инструкции в x86 представляет собой обход регистра, обход регистра с immediate значением и обход числа.

• После байтов для обхода могут следовать модификатор доступа к памяти или к регистру.

Интерпретация инструкций

Обзор раздела: Здесь описывается процесс интерпретации инструкций и сложности, связанные с длиной их выполнения.

Интерпретация

• Невозможно предсказать размер инструкции заранее, что затрудняет оптимизацию выполнения.

• Различные процессоры (MEPIS 32, MIPS, ARM, x86) имеют разные подходы к интерпретации инструкций.

Кодирование операций

Обзор раздела: Обсуждение методов кодирования арифметических операций в риск-процессорах.

Арифметические операции

• Арифметические операции закодированы по аналогии со сложением и вычитанием для других видов операций.

Работа с числами

Обзор раздела: Объясняется работа с положительными и отрицательными числами при кодировании операций.

Представление чисел

• Для хранения отрицательных чисел используется дополнительный код.

Метки в программировании

Обзор раздела: Обсуждение использования меток в ассемблерном программировании для управления потоком выполнения.

Использование меток

Понимание работы с регистрами в ассемблере

Обзор раздела: В данном разделе рассматривается работа с регистрами в ассемблере и условные переходы.

Работа с регистрами

• Обозначение регистров символом доллара, запись значений в регистры.

• Исправление примера по работе с рагистрами.

Условные переходы

• Определение условного перехода при выполнении определенного условия.

• Использование специального регистра флагов для хранения информации о предыдущих операциях.

Передача параметров через стек в программировании

Обзор раздела: Рассмотрены механизмы передачи параметров через стек в программировании.

Параметры через стек

• Передача параметров функций через стек.

• Хранение локальных переменных и автоматических переменных в стеке.

Вызов функций

• Рекурсивный вызов функций и сохранение копий переменных.

Автоматические переменные и стек фреймы

Обзор раздела: В этом разделе рассматривается работа с автоматическими переменными и стек фреймами в контексте вызова функций.

Автоматические переменные

• Автоматические переменные связаны с конкретным вызовом функции.

• Возвращаемое значение обычно одно, но есть языки, где можно возвращать много значений.

• В ассемблере типа elise возвращаемое значение всегда одно.

Стек фреймы

• Значение возвращается обычно через регистр или указатель на ячейку памяти.

• При возврате из функции происходит сброс стека до начального состояния.

Хранение чисел: little endian vs big endian

Обзор раздела: Рассмотрены концепции хранения чисел little endian и big endian в памяти компьютера.

Little Endian vs Big Endian

• Little endian - младший байт числа хранится первым; Big endian - старший байт находится первым.

• Различия в порядке хранения байтов оказывают влияние на интерпретацию данных.

Программа от кода до выполнения

Обзор раздела: Объясняется процесс превращения программы от написания кода до её выполнения на процессоре.

Программа от кода до выполнения

• Программа переводится из ассемблера в машинный код для выполнения на процессоре.

Рид Дейта и Интерфейс Записи

В этом разделе рассматривается 32-разрядная Рид Дейта и интерфейс записи данных.

Рид Дейта

• Р.д. представляет собой 32-разрядную память.

• Подаем адрес номер регистра, получаем данные из обычной памяти.

Интерфейс Записи

• Гарвардское устройство: возможность чтения и записи данных по адресу.

• Сигнал подается для записи данных, если не запрещена запись, данные будут сохранены.

Соединение Элементов Тракта Данных

Объединение элементов тракта данных для передачи команд и адресов.

Объединение Элементов

• Разложение элементов в последовательность для передачи адреса и команды.