Архитектура системы команд (стр. 2 из 3)
Использование сложных методов адресации позволяет существенно сократить количество команд в программе, но при этом значительно увеличивается сложность аппаратуры. Возникает вопрос, а как часто эти методы адресации используются в реальных программах? На рис. 4.2 представлены результаты измерений частоты использования различных методов адресации на примере трех популярных программ (компилятора с языка Си GCC, текстового редактора TeX и САПР Spice), выполненных на компьютере VAX.
| Метод адресации | Пример команды | Смысл команды методаИспользование |
| Регистровая | Add R4,R3 | R4(R4+R5Требуемое значение в регистре |
| Непосредственная или литеральная | Add R4,#3 | R4(R4+3 Для задания констант |
| Базовая со смещением | Add R4,100(R1) | R4(R4+M[100+R1]Для обращения к локальным переменным |
| Косвенная регистровая | Add R4,(R1) | R4(R4+M[R1]Для обращения по указателю или вычисленному адресу |
| Индексная | Add R3,(R1+R2) | R3(R3+M[R1+R2]Иногда полезна при работе с массивами: R1 - база, R3 - индекс |
| Прямая или абсолютная | Add R1,(1000) | R1(R1+M[1000]Иногда полезна для обращения к статическим данным |
| Косвенная | Add R1,@(R3) | R1(R1+M[M[R3]]Если R3-адрес указателя p, то выбирается значение по этому указателю |
| Автоинкрементная | Add R1,(R2)+ | R1(R1+M[R2] R2(R2+dПолезна для прохода в цикле по массиву с шагом: R2 - начало массива В каждом цикле R2 получает приращение d |
| Автодекрементная | Add R1,(R2)- | R2(R2-d R1(R1+M[R2]Аналогична предыдущей Обе могут использоваться для реализации стека |
| Базовая индексная со смещением и масштабированием | Add R1,100(R2)[R3] | R1( R1+M[100]+R2+R3*dДля индексации массивов |
Рис. 4.1. Методы адресации
Рис. 4.2. Частота использования различных методов адресации на программах TeX, Spice, GCC
Из этого рисунка видно, что непосредственная адресация и базовая со смещением доминируют.
При этом основной вопрос, который возникает для метода базовой адресации со смещением, связан с длиной (разрядностью) смещения. Выбор длины смещения в конечном счете определяет длину команды. Результаты измерений показали, что в подавляющем большинстве случаев длина смещения не превышает16 разрядов.
Этот же вопрос важен и для непосредственной адресации. Непосредственная адресация используется при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры. Результаты анализа статистики показывают, что в подавляющем числе случаев 16 разрядов оказывается вполне достаточно (хотя для вычисления адресов намного реже используются и более длинные константы).
Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что вообще говоря приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы с лихвой окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты RISC-процессоров. Этот процесс мы можем наблюдать сегодня, когда максимальные тактовые частоты практически всех RISC-процессоров (Alpha, R4400, Hyper SPARC и Power2) превышают тактовую частоту, достигнутую процессором Pentium.
Типы команд
Команды традиционного машинного уровня можно разделить на несколько типов, которые показаны на рис. 4.3.
| Тип операции | Примеры |
| Арифметические и логические | Целочисленные арифметические и логические операции: сложение, вычитание, логическое сложение, логическое умножение и т.д. |
| Пересылки данных | Операции загрузки/записи |
| Управление потоком команд | Безусловные и условные переходы, вызовы процедур и возвраты |
| Системные операции | Системные вызовы, команды управления виртуальной памятью и т.д. |
| Операции с плавающей точкой | Операции сложения, вычитания, умножения и деления над вещественными числами |
| Десятичные операции | Десятичное сложение, умножение, преобразование форматов и т.д. |
| Операции над строками | Пересылки, сравнения и поиск строк |
Рис. 4.3. Основные типы команд
Команды управления потоком команд
В английском языке для указания команд безусловного перехода, как правило, используется термин jump, а для команд условного перехода - термин branch, хотя разные поставщики необязательно придерживаются этой терминологии. Например компания Intel использует термин jump и для условных, и для безусловных переходов. Можно выделить четыре основных типа команд для управления потоком команд: условные переходы, безусловные переходы, вызовы процедур и возвраты из процедур.
Частота использования этих команд по статистике примерно следующая. В программах доминируют команды условного перехода. Среди указанных команд управления на разных программах частота их использования колеблется от 66 до 78%. Следующие по частоте использования - команды безусловного перехода (от 12 до 18%). Частота переходов на выполнение процедур и возврата из них составляет от 10 до 16%.
При этом примерно 90% команд безусловного перехода выполняются относительно счетчика команд. Для команд перехода адрес перехода должен быть всегда заранее известным. Это не относится к адресам возврата, которые не известны во время компиляции программы и должны определяться во время ее работы. Наиболее простой способ определения адреса перехода заключается в указании его положения относительно текущего значения счетчика команд (с помощью смещения в команде), и такие переходы называются переходами относительно счетчика команд. Преимуществом такого метода адресации является то, что адреса переходов, как правило, расположены недалеко от текущего адреса выполняемой команды и указание относительно текущего значения счетчика команд требует небольшого количества бит в смещении. Кроме того, использование адресации относительно счетчика команд позволяет программе выполняться в любом месте памяти, независимо от того, куда она была загружена. То есть этот метод адресации позволяет автоматически создавать перемещаемые программы.
Реализация возвратов и переходов по косвенному адресу, в которых адрес не известен во время компиляции программы, требует методов адресации, отличных от адресации относительно счетчика команд. В этом случае адрес перехода должен определяться динамически во время работы программы. Наиболее простой способ заключается в указании регистра для хранения адреса возврата, либо для перехода может разрешаться любой метод адресации для вычисления адреса перехода.
Одним из ключевых вопросов реализации команд перехода состоит в том, насколько далеко целевой адрес перехода находится от самой команды перехода? И на этот вопрос статистика использования команд дает ответ: в подавляющем большинстве случаев переход идет в пределах 3 - 7 команд относительно команды перехода, причем в 75% случаев выполняются переходы в направлении увеличения адреса, т.е. вперед по программе.
Поскольку большинство команд управления потоком команд составляют команды условного перехода, важным вопросом реализации архитектуры является определение условий перехода. Для этого используются три различных подхода. При первом из них в архитектуре процессора предусматривается специальный регистр, разряды которого соответствуют определенным кодам условий. Команды условного перехода проверяют эти условия в процессе своего выполнения. Преимуществом такого подхода является то, что иногда установка кода условия и переход по нему могут быть выполнены без дополнительных потерь времени, что, впрочем, бывает достаточно редко. А недостатками такого подхода является то, что, во-первых, появляются новые состояния машины, за которыми необходимо следить (упрятывать при прерывании и восстанавливать при возврате из него). Во-вторых, и что очень важно для современных высокоскоростных конвейерных архитектур, коды условий ограничивают порядок выполнения команд в потоке, поскольку их основное назначение заключается в передаче кода условия команде условного перехода.
Второй метод заключается в простом использовании произвольного регистра (возможно одного выделенного) общего назначения. В этом случае выполняется проверка состояния этого регистра, в который предварительно помещается результат операции сравнения. Недостатком этого подхода является необходимость выделения в программе для анализа кодов условий специального регистра.
Третий метод предполагает объединение команды сравнения и перехода в одной команде. Недостатком такого подхода является то, что эта объединенная команда довольно сложна для реализации (в одной команде надо указать и тип условия, и константу для сравнения и адрес перехода). Поэтому в таких машинах часто используется компромиссный вариант, когда для некоторых кодов условий используются такие команды, например, для сравнения с нулем, а для более сложных условий используется регистр условий. Часто для анализа результатов команд сравнения для целочисленных операций и для операций с плавающей точкой используется разная техника, хотя это можно объяснить и тем, что в программах количество переходов по условиям выполнения операций с плавающей точкой значительно меньше общего количества переходов, определяемых результатами работы целочисленной арифметики.