4. Utasításvégrehajtás
A számítógépek utasításainak hossza processzoronként változó. Egyes processzorok esetében az utasítások hossza rögzített, míg másoknál változó, különösen a mikroszámítógépek központi egységeinek esetében. A fix hosszúságú utasítás a csökkentett utasításkészletû (RISC) processzorokra jellemzõ, míg a CISC processzorok esetében változó, gyakran igen hosszú utasításokat alkalmaznak. Az utasítás szerkezete megszabja, hogy a processzornak az utasítást hogyan kell értelmeznie. Az utasítás mûveleti részbõl és operandusból áll, illetve az operandus memóriacímét tartalmazza.
Az utasítások három fõ részre bonthatók:
- operációs kód, amely az elvégzendõ feladat fajtáját mondja meg,
- címrész, amely a mûvelethez szükséges adatok memóriacímét mutatja meg,
- módosító rész - a pontos címmeghatározáshoz ad elõírást
Az operációs kód az esetek többségében struktúrált, ami azt jelenti, hogy a mûveleti jelrész további részekre osztható, az egyes részek meghatározzák a mûvelet típusát, azaz, hogy mely utasításcsoportba tartozik, illetve információt szolgáltatnak az utasítást követõ operandust illetõen is.
Az utasítások címrésze lehet négy-, három-, két-, egy- és nullacímes, attól függõen, hogy a processzornak hány címre van szüksége a végrehajtáshoz.
a, Négycímes utasításszerkezet
Négycímes utasításszerkezettel viszonylag kevés utasításból álló programot lehet elõállítani. A négycímes utasításszerkezet áll egy mûveleti jelbõl, tartalmazza továbbá két mûveleti operandus címét, az eredmény címét és a következõ utasítás címét. Az így keletkezõ utasítások igen hosszúak lesznek, ezért ez az utasításszerkezetet visszaszorult.
b, Háromcímes utasításszerkezet
Az utasításszámláló regiszter (PC) bevezetésével a soron következõ utasítás címe elhagyható. Minden egyes utasítás végrehajtásakor a processzor egyel növeli a PC tartalmát, de ez csak akkor lehetséges, ha az utasítások a végrehajtás sorrendjében vannak eltárolva a memóriában. Az így kapott utasításszerkezet a háromcímes utasításszerkezet.
c, Kétcímes utasításszerkezet
A harmadik cím, az eredmény elhagyására kétféle módszer van. Az egyik, ha a processzor az eredményt automatikusan visszaírja az operandus helyére, vagy pedig az eredmény tárolására egy külön regisztert tart fenn. Ez általában az aritmetikai egységhez tartozó akkumulátor regiszter (AC).
d, Egycímes utasításszerkezet
A második operanduscím elhagyásával jutunk az egycímes utasításszerkezethez, amelyhez feltétlenül szükséges az AC regiszter, mint második cím. Így egy mûvelet mindig az utasításban megcímzett tárolóhely és az AC tartalma között kerül végrehajtásra és az eredményt a processzor visszaírja az akkumulátorba. A memóriában való adatmozgatás is az akkumulátort használja második operandusként.
e, Nullacímes utasításszerkezet
Végül a nullacímes utasításszerkezethez szükséges az úgynevezett veremtároló alkalmazása. Ez egy speciális tároló, amely a LIFO elven mûködik, adatokat csak a verem tetejére lehet elhelyezni és csak onnét lehet levenni is. A veremtároló általában a fõmemóriában van kialakítva és a veremmutató regiszter (SP) segítségével kezelhetõ. Az SP arra a tárolócímre mutat, ahonnét a processzor a következõ adatot leveszi (pop), vagy ahová a következõ adatot beteszi (push).
A RISC processzorok háromcímes, míg a CISC processzorok általában két, vagy egycímes utasításszerkezettel dolgoznak. Az Intel processzoroknál az utasítások mûveleti része egy (i8086/i80286) vagy kétbyte-os (i80386/i80486) amelyhez két bit kapcsolódik. Az egyik megadja, hogy a memóriabeli operanduscímre, vagy onnan kell szállítani, míg a másik az operandus méretére (byte/word) vonatkozóan ad információt.8086 és 80286 esetében ezt egy úgynevezett MODE byte követi, amely meghatározza az operandus helyét, majd az OFFSET, amely a szegmensen belüli relatív címet adja meg és a közvetlen adatkonstans egy-két byte-on. Az utasítást megelõzheti egy-három byte-os prefix, amely módosítja az utasítás tartalmát.
Három csoportba sorolhatók az utasítások operációs kód szempontjából:
- adatmozgató utasítások, amelyek a gép két része közötti adatmozgatásra szolgálnak;
- mûveleti utasítások (aritmetikai és logikai utasítások)
- vezérlõ utasítások
- speciális, a mûködést szabályozó utasítások
Az adatmozgató utasítások egy, vagy több byte átvitelére alkalmasak. RISC processzoroknál külön byte-os és külön szavas adatmozgató utasítások vannak, míg összetett utasításkészletû processzorok esetében, ahol az utasításhossz nem állandó, magában az utasításban kell megadni az átvinni kívánt adat méretét. Az átvitt adat az eredeti helyén is megmarad, tehát ez valójában csak adatmásolás.
A memória-regiszter, regiszter-memória közötti adatmozgató utasításokat tároló hivatkozású adatátviteli utasításnak hívják. Memória-memória közötti adatátvitelt közvetlenül nem használnak a processzorok. Az adatmozgató utasítások közé tartoznak az úgynevezett periféria utasítások is. Ezek történhetnek:
- programozott átvitellel, karakterenként, figyelmet fordítva a periféria állapotára (karakter átvihetõsége)
- megszakításos rendszerrel, aholis a periféria kezdeményezi az átvitelt (szintén karakterenkénti átvitel)
- közvetlen memóriaelérés (DMA)
Speciális adatmozgató utasítások a veremkezelõ utasítások (POP,PUSH). Az operandusokat a processzor mindig a veremtárolóból veszi és az eredményt oda helyezi el, ehhez az SP regisztert használva fel.
A mûveleti utasítások közé tartoznak:
- aritmetikai utasítások (különbözõ adatformátumokkal: fix-, lebegõpontos, BCD , string)
- logikai mûveletek
- léptetõ utasítások
- bit mûveletek
a, Aritmetikai utasítások
Aritmetikai utasítások a bináris egészek és BCD számok összeadására, kivonására szolgáló utasítások, amelyek minden processzornál megtalálhatók, a szorzási és osztási utasítások, amelyekkel a 16 és 32 bites processzorok rendelkeznek, valamint a lebegõpontos mûveleti utasítások 32 bites processzorok esetében. Ezen mûveletek során a processzor az állapotregiszter egyes bitjeit (carry, sign, zero, overflow) beállítja, lehetõséget adva a programvégrehajtás vezérlésére:
Mûveletek kettes számrendszerben fixpontos számokkal:
Összeadás. A legalapvetõbb mûvelet, mint minden helyiértékes számrendszerben, itt is helyiértékenként történik. A mûveletvégzés során keletkezhet átvitel, amelyet a processzor a carry bit egybe billentésével jelez.
Kivonás. Visszavezethetõ az összeadásra, ha a negatív számok tárolására komplemenskódot (általában kettes) alkalmazunk. A komplementált negatív számot és az operandust össze kell adni a teljes tárolóhosszon (elõjelbit is). A túlcsordulást figyelmen kívül hagyva kapjuk az eredményt. Ha az elõjelbit egy, a kapott szám negatív, kettes komplemens alakban kapjuk meg, ezért vissza kell komplementálni.
Szorzás. A szorzás legegyszerûbben sorozatos összeadásokkal írható le. Az eredmény az operandusok kétszerese, ezért a befogadó regiszternek kétszer olyan hosszúnak kell lennie, mint az operandusokat tartalmazóknak.
Osztás. Legegyszerûbben sorozatos kivonásokkal, úgynevezett visszaállító algoritmussal történik. Ha a kivonás eredménye negatív, vissza kell állítani a kivonás elõtti értéket, majd az osztó eggyel jobbra léptetésével folytatni a sorozatos kivonást.
Mûveletek kettes számrendszerben lebegõpontos számokkal
Összeadás, kivonás. Ha a karakterisztikák megegyeznek, az eredmény karakterisztikája közös lesz, míg a mantisszákat össze kell adni és az eredményt normalizálni. Ha a karakterisztika nem egyezik meg, a kisebb kitevõjû szám mantisszáját jobbra léptetve a karakterisztikát azonos értékre kell hozni.
Szorzás, osztás. A mantisszákat fixpontos számként kell szorozni, illetve osztani, míg a karakterisztikák összeadásra, vagy kivonásra kerülnek.
b, Logikai mûveletek
A logikai mûveletek bit entként hajtódnak végre. Ezen elemi logikai mûveletek általában a logikai AND (ÉS), OR (VAGY), XOR (kizáró VAGY) és a NOT (tagadás).
A NOT (NEM) mûveletet a tárolóhelyek tartalmának ellenkezõ értékre állítására lehet használni, az operandus minden bit jét az ellenkezõjére állítja.
Az OR (VAGY) mûvelet két tárolóhely tartalom egyesítésére szolgál, az eredmény ott lesz 1-es, ahol valamelyik bit , vagy mindkettõ 1-es volt.
Az AND (ÉS) mûvelettel lehet maszkolni egy tárolóhely tetszõleges részét, azaz bit enként lehet kezelni a két operandust.
c, Léptetõ és forgató utasítások
Léptetõ (SHIFT) utasítások a balra vagy jobbra léptetés, ahol a bit sorozat egy helyiértéket balra, vagy jobbra lép. A belépõ bit 0, míg a kilépõ bit az átvitel bit be íródik. Forgatásnál (ROTATE) a kilépõ bit íródik be a belépõ bit helyére a bit sorozatban és a léptetéshez hasonlóan az átvitel bit ben is megjelenik.
d, Bitmûveletek
A bitmûveletek egyes processzorok esetében külön mûveleteket jelentenek, melyekkel az operandusok egyes bit jeit állíthatjuk be a megfelelõ értékre, vagy egyszerûen csak ellenõrizhetjük azok állapotát. A külön bitmûvelettel nem rendelkezõ processzoroknál a bitmûveletek aritmetikai és léptetõ, illetve forgató utasításokkal végezhetõk el, mely utóbbiak a bitmûveletek csoportjához sorolhatók.
Vezérlõ utasítások.A program futását vezérlõ utasítások. Ezen utasítások általában a veremtárolót használják, ahová a vezérlés átadása elõtti (visszatérési) címet a proceszor elmenti. A verem tetejét az SP mutatja.
a, Vezérlésátadó utasítások
Feltétel nélküli és feltételes vezérlésátadó utasítások, azaz ugró utasítások. Feltétel nélküli ugrásnál az utasításban szereplõ címmel tölti fel a processzor az utasításszámláló regiszter tartalmát, amely a következõ utasítás címe lesz és a program innen folytatódik. Feltételes ugró utasításnál a mûveleti jelrész által elõírt feltétel teljesülése esetén adódik át a vezérlés az operandusban megadott címre és a program az ott található utasítással folytatódik. Ha az operációs kód által elõírt feltétel nem teljesül, a program a soron következõ utasítással folytatódik.
b, Szubrutinhívó utasítások
Szubrutin (alprogram) hívó utasítások. Ezen utasítások feltétel nélküli vezérlésátadó utasítások, de megõrzik annak a helynek a címét, ahonnan a vezérlésátadás történt, így az alprogram végrehajtódása után a vezérlés visszatér az eltárolt címre és a program onnan folytatódik. Egyes processzorok esetében lehetõség van feltételes szubrutinhívó utasítások végrehajtására is.
c, Ciklusszervezõ utasítások
Iteráció (hurok, vagy ciklus) utasítás. Az utasítás meghatározott programutasítások végrehajtását segíti elõ az utasításban szereplõ feltétel teljesüléséig.
4.2.4. Mûködést szabályozó utasítások
A mûködést szabályozó utasítások a megszakításokra vonatkozó tiltás és engedélyezés (enable/inhibit interrupt). Ezek segítségével a perifériák által kezdeményezett megszakítás kérelmeket lehet tiltani, illetve engedélyezni. Ide tartozik a processzor futását felfüggesztõ utasítás (HALT), amelyet csak egy speciális megszakítás-kérelemmel lehet feloldani (RESET).
4.3.Processzor állapotok, gépi ciklus
Egy utasítás végrehajtása adatátviteli mûveletekbõl áll a processzor és a memória, illetve az I/O egységek között. Mivel Neumann elvû gépeknél az adatok és utasítások egy tárban helyezkednek el, az utasítások tárból olvasása szintén adatátvitelnek minõsül. Minden tárhoz fordulás egy alapidõtartamot igényel, ennek neve gépi ciklus. A gépi ciklusok fázisokból épülnek fel, amely alatt valamely részmûvelet végrehajtására kerül sor. Egy-egy fázis tovább bontható órajel-idõtartamokra. Egy utasítás alatt az adatátvitel jellege változó lehet, ezért a gépi ciklus típusa is változó.
Normál gépi ciklus: a program végrehajtása során, utasításnak, illetve adatnak a memóriából történõ kiolvasására, adatnak a memóriába történõ beírására, vagy input port-ról történõ bevitelnek, illetve output port-ra történõ kivitelnek a végrehajtására alkalmas.
HALT típusú gépi ciklus: HALT állapotban a processzor nem hajt végre utasításokat, várakozik. A ciklust erre a célra szolgáló utasítással lehet elõidézni (HLT), elfogadását letiltani nem lehet, határozatlan ideig fennállhat. Az állapot feloldásához külsõ beavatkozás szükséges:
- külsõ HOLD igény jelzése - az igény elfogadása a HALT állapot ideiglenes felfüggesztését eredményezi, megszûnése után a processzor ismét HALT-ba kerül.
- a processzor resetelése, azaz újraindítása - a PC nullázódik és az utasítások végrehajtása elkezdõdik a 0. memóriacímtõl.
- külsõ megszakításkérés - feltétel, hogy a megszakításkérõ bemenet engedélyezve legyen, errõl a HALT utasítás elõtt kell gondoskodni.
HOLD állapot: a processzor adatátvitelre szolgáló kimenetei nagyimpedanciás állapotba kerülnek. Utasításvégrehajtás nem folyik, a sínrendszer vezérlését át tudja venni más eszköz. Az állapot ideje meghatározatlan, kérését letiltani nem lehet. A HOLD jelzés megszûnése után a HOLD állapot is megszûnik.
4.4. Utasításvégrehajtás lépései
Utasításvégrehajtás normál gépi ciklusban történik.Neumann elvû számítógépek esetében az utasítások és az adatok ugyanabban a tárban helyezkednek el. Ennek következtében az utasítás és az adat elõkeresése csak egymás után történhet, ezt nevezik soros utasítás-feldolgozásnak. Más architektúrákban, ahol külön program- és külön adattároló van tárolónként külön sínrendszerrel, egy utasítási ciklusban történik a teljes utasítás feldolgozása - párhuzamos utasítás-feldolgozás.
A processzor mûködésének lényege a programutasítások feldolgozása. Ezen utasítások lépésekre történõ felbontás segíti a mikroprogramozás, valamint az átlapolt végrehajtás lényegének megértését. Egy utasítás végrehajtása alapvetõen az alábbi részekbõl tevõdik össze:
Utasításelõkészítés, utasításlehívás.A processzor ebben a fázisban a következõ utasítás memóriacímét, amelyet az utasításszámláló regiszter (PC) tartalmaz, átviszi a memória címregiszterébe (MAR). Amennyiben nem rendelkezik ilyennel, a PC tartalma a címsínt vezérlõ cím-pufferregiszterbe kerül. A processzor ez alapján keresi ki a tárból az utasítást, amely az utasításregiszterbe (IR) kerül.
Utasításszámláló regiszter tartalmának növelése. A PC tartalmának automatikus növelésével elõáll a következõ utasítás tárolóbeli helyének memóriacíme. A PC tartalma az utasításhossznak megfelelõ számmal nõ. Az operációs rendszer állítja be az utasításszámláló kezdõ értékét.
Mûveleti kód értelmezése, az operandus címének meghatározása. A processzor a mûveleti jelrész dekódolásával meghatározza, hogy milyen utasításokat kell végrehajtania, valamint az utasítás címrésze alapján meghatározza a mûvelethez használandó operandus(ok) címét. Amennyiben az utasítás nem igényel operandust (vezérlés), a processzor a végrehajtási fázisra tér át.
Adatok elõkészítése a mûvelet elvégzéséhez. A központi egység az elõzõekben kidolgozott cím alapján kikeresi az operandus(ok)at a memóriából és az utasítás által meghatározott helyre, amely az esetek többségében az aritmetikai egység akkumulátora (AC), de lehet más regiszter is.
Végrehajtás. Megtörténik az utasítás által kijelölt feladat elvégzése az elõkészített operandussal. Vezérlésátadó utasítások esetén a processzor az utasításban levõ címet - amely meghatározza, hogy a program honnan folytatódjék - beírja a PC-be.
Az eredmény elhelyezése. A központi egység a kapott eredményt elhelyezi az elõírt helyre, amely többnyire az akkumulátor. Ezután újrakezdi az utasításfeldolgozást.
4.5.Utasításkészlet, processzor architektúrák
Az egyes processzorok esetében az eddig tárgyalt utasítástípusok közül alkalmazható utasítások halmazát az adott processzor utasításkészletének nevezzük. Egy processzor utasításkészlete gépi kódú (elemi) utasítások összessége, melyek végrehajtására a processzor hardver szinten alkalmas. Ez azt jelenti, hogy az utasítások megvalósítása vagy áramköri szinten valósul meg, vagy a gépben tárolt vezérlõ mikroprogram segítségével. A számítástechnika fejlõdése folyamán a processzorok tervezésében két fõ irányvonal alakult ki.
4.5.1.Összetett utasításkészletû processzorok (CISC)
A mikroprogramozott vezérlés megjelenésének következtében növekedett az utasítások bonyolultsága. Ez azért következett be, mert a ROM) tárolóban elhelyezett mikroprogram végrehajtása gyorsabb, mint a központi tárak által biztosított sebesség, másrészrõl befolyásolta az összetett utasításkészlet megjelenését a magas szintû programozási nyelvek széleskörû elterjedése is.
Történelmileg a számítógépiparban a CISC architektúrájú gépek domináltak. A piac nyomására, hogy megõrizzék a kompatibilitást, megtartva a régi utasításkészletet, egyre bonyolultabb gépi instrukciókat vezettek be a CPU családokon belül, ahol is a sokféle instrukcióval kényelmes gépi kódú programozás lehetséges, és megfelelõ hatékonyságú kódot lehet generálni a magas szintû nyelveken írt programokhoz is. A nagy instrukciókészlet viszont nagy belsõ mikroprogramtárat igényel.
A CISC jellemzõi:
- Sok, akár néhány száz, közöttük több összetett instrukció.
- Bonyolultabb címzési módok lehetségesek, emiatt viszont változó hosszúságúak az instrukciók. Ez mint látni fogjuk, nehezíti a pipe-line feldolgozást.
- A gépi instrukciók változó ciklusidõt, a komplexebbek meglehetõsen nagy ciklusszámot igényelnek. Ez is nehezíti az átlapolt feldolgozást.
- Az assembly programozás feltétlenül egyszerûbb: a komplex instrukciók valóban komplex feladatokat oldanak meg. A compiler-ek írása is könnyû.
- Viszonylag kevés regiszter van.
Neves CISC processzorok az Intel 286/386/486 és a Pentium, a Motorola 68000 család processzorai, a DEC VAX processzora stb.
4.5.2.Redukált utasítákészletû processzorok (RISC)
Újabb felfogás szerint a teljesítmény növelhetõ redukált instrukciószámú processzorokkal, ahol viszont a hardver és szoftver között sokkal kifinomultabb és igényesebb együttmûködés lehetséges. A koncepció statisztikai felmérések alapján merült fel, amikori azt vizsgálták, hogy a szoftverek hogyan használják a processzor erõforrásait. Kiderült, hogy az egyszerûbb instrukciók túlnyomórészt dominálnak még a CISC architektúrákban is. Hiába implementálták a komplex instrukciókat, azokat ritkán használják. Egy csökkentett instrukciókészletû processzor, ami tipikusan 50-80 instrukciót jelent, és amelynél szemben a CISC felépítéssel az instrukciók dekódolására fix logikát alkalmaznak, nagyságrenddel nagyobb ütemezési sebességgel tud dolgozni. Az amúgy is domináló egyszerû instrukciók mellet a felmerülõ komplexebb feladatok - kicsivel több kóddal , de optimált fordítással segítve - azért elvégezhetõek maradnak. Valószínûleg hosszabb lesz a kód, de a cache memória ezen is segíthet, a háttértároló kapacitás pedig egyre kevesebb gond a fejlõdés során. A RISC fejlõdést teszi lehetõvé az a tény is, hogy a gyorsító memóriák is fejlõdnek, a processzor mikrokód helyettesíthetõ az egyre gyorsabb cache memóriákkal.
A RISC architektúrák jellemzõi:
- Csak a legalapvetõbb instrukciók léteznek gépi szinten.
- Meglehetõsen sok regiszter van. Ennek elõnye nyilvánvaló, kevesebb a tármûvelet, sok a regisztermûvelet.
- Fix a kódhosszúság, egyszerûek a címzési módok.
- Egyszerû a dekódolás és gyors is.
A RISC processzorokat eleve az operációs rendszerekhez és a compilerekhez igazítottan tervezik. Az egyszerû instrukciók nemcsak egyforma hosszúságúak, hanem egyforma ciklusidõt igényelnek, ezért az ún. "pipe-line" feldolgozás könnyû. Egyetlen hátrány látszik: a bonyolultabb feladatokat instrukció-szekvenciákkal kell megoldani, ez a programok méretét, -hosszát - növelheti.
Híres RISC processzorok
A DEC cég 21064 Alpha processzora 200 MHz-es órajellel 400 MIPS-re, 200 MFLOPS-ra képes.
A Hewlet Packard híres RISC processzorai a PA-RISC processzorcsalád tagjai. A HP-9000 munkaállomások mind PA-RISC architektúrájúak.
A SUN SPARCstation munkaállomások, SPARCserverek processzorai a SPARC RISC processzorok.
Az IBM RISC/6000 POWER processzorcsaládja (gold, silver), a PowerPC processzora.
CISC és RISC processzorok összehasonlítása:
| CISC processzorok | RISC processzorok | |
| 1 | Az utasítások összetettek, több gépi ciklust igényelnek | Egy gépi ciklus alatt végrehajtható egyszerû utasítások |
| 2 | Több utasítás is igénybe veheti a tárolót | Csak a LOAD/STORE utasítások használhatják a tárat |
| 3 | A pipelining feldolgozás kismértékû | Jelentõs pipelining feldolgozás |
| 4 | Mikroprogram által vezérelt utasítás-végrehajtás | Huzalozott utasítás-végrehajtás |
| 5 | Változó hosszúságú utasítások | Rögzített hosszúságú utasítások |
| 6 | Sokféle utasítás és címzési mód | Kevés utasítás és címzési mód |
| 7 | Bonyolult mikroprogram | Bonyolult fordítóprogram |
| 8 | Kevés regiszter | Nagyméretû regisztertár |
A fejezethez kapcsolódó ellenõrzõ kérdések
4.1. Rajzolja fel az utasítások általános szerkezetét és ismertesse röviden az egyes részek feladatát?
4.2. Csoportosítsa az utasításokat címrészük szerint, ismertetve az egyes szerkezeteket?
4.3. Csoportosítsa az utasításokat operációs kód szempontjából?
4.4. Ismertesse az adatmozgató utasítások feladatát és típusait?
4.5. Csoportosítsa a mûveleti utasításokat és ismertesse az egyes csoportokat?
4.6. Ismertesse a vezérlõ és mûködést szabályozó utasításokat?
4.7. Ismertesse az alapvetõ gépi ciklusokat?
4.8. Ismertesse az utasítás végrehajtásának lépéseit?
4.9. Sorolja fel az összetett utasításkészletû (CISC) processzorok jellemzõit?
4.10. Sorolja fel a redukált utasításkészletû processzorok jellemzõit?
4.11. Hasonlítsa össze a CISC és RISC processzorokat?