4.3. Структура команд
Выше отмечено, что команда МП в общем случае содержит операционную и адресные части. Соглашение о распределении разрядов между названными частями команды и о способе кодирования информации определяет структуру команды или ее формат (рис. 12). В операционной части команды, состоящей из n – k двоичных разрядов, содержится код операции, обеспечивающий кодирование 2n–k операций и определяющий, какие при этом будут задействованы устройства в МП или вне его. В k-разрядной адресной части команды содержится информация об адресах операндов, участвующих в выполнении операции. В общем случае адресная часть команды должна содержать четыре адресных поля A1,…, A4. Они предназначены для задания кодов адресов операндов (А1, А2), адреса результата (А3) и адреса следующей команды (А4). В качестве адресов A1,…, A3 могут использоваться адреса ячеек оперативной памяти и адреса регистров внутренней памяти МП, а в качестве адреса А4– только адреса ячеек оперативной памяти.
Рис. 12. Обобщенная структура команды
При использованииполного набора адресов в адресной части команды ее формат оказывается громоздким. Из-за ограниченного числа разрядов в машинном слове, разрядность которого обычно равна разрядности МП и ячеек оперативной памяти, актуальны способы повышения экономичности представления информации в команде. Прежде всего, было отмечено, что не для всех операций необходим полный набор адресов А1 – А4. В адресной части большинства команд указывается меньшее число адресов. В зависимости от указываемого числа адресов команды подразделяются на безадресные (нульадресные), одно-, двух-, трех- и четырехадресные. Практически во всех МП в адресном поле команды исключен адрес А4. Это обусловлено тем, что большинство команд относятся к линейным участкам алгоритмов и такие команды могут быть размещены в ячейках оперативной памяти с последовательно возрастающими адресами. В этом случае для получения адреса следующей команды к адресу текущей достаточно прибавить единицу, что удобно реализовать путем инкремента счетчика команд. Такой способ адресации команд называют естественным. Соответственно МП, реализующие естественный способ адресации команд, называются МП с естественным способом адресации команд. При нарушении естественного порядка следования команд (ветвлениях, объединениях, циклах) используют специальные команды передачи управления, в которых содержится адрес перехода, но не используются адреса операндов. В отличие от МП с естественным способом адресации команд, МП, в адресном поле команд которых используется адрес перехода А4, называют МП с принудительным способом адресации команд.
Использование адреса результата А3 в адресном поле команды во многих случаях также оказывается избыточным. Это можно объяснить тем, что результат арифметических и логических операций над двумя операндами часто помещают на место одного из операндов (после вычисления результата операнды чаще всего больше не используются). При этом достигается не только сокращение разрядности команды, но и повышается производительность МП, поскольку исключаются лишние пересылки. Следует отметить, что при переходе к двухадресным командам в их адресное поле необходимо вводить дополнительные разряды, кодирующие назначение адресуемых операндов: кто из них является источником, а кто – приемником информации. По схеме двухадресного вычислителя реализованы МП х86 компании Intel, большинство процессоров фирмы Motorola и другие.
В МП аккумуляторной архитектуры число адресов в адресной части команды уменьшено до одного. В них один из операндов, размещенный в аккумуляторе, неявно задается кодом команды, и результат помещается в аккумулятор. По схеме одноадресного вычислителя реализованы МП 8080, MCS-51 компании Intel и ряд других.
Наконец, существует относительно небольшая группа безадресных команд, в которых осуществляется безадресное (неявное) задание операнда. К безадресным командам относятся команды управления процессором, например, пуска и останова. Безадресными также являются команды,реализующие операции со стеком. В них операнд, адресуемый указателем SP, неявно задается кодом команды. Безадресные команды за счет исключения адресного поля имеют предельно сокращенный формат, но они не могут образовать функционально полную систему команд и применяются только вместе с адресными.
Число адресов, указываемых в команде, влияет на время решения задач, затраты памяти, сложность процессора и зависит от класса решаемых задач. В частности, для научно-технических расчетов, в которых большой объем занимают многошаговые вычисления, более эффективными оказываются одноадресные команды, а в некоторых случаях (при использовании стекового процессора) и безадресные команды. Для задач управления, в которых используется большое число пересылок и логических операций, эффективнее двухадресные команды. В современных микропроцессорах используют только безадресные, одноадресные и двухадресные команды. Трехадресные команды в системах команд МП присутствуют очень редко, а четырехадресные отсутствуют.
Рассмотренные способы указания адресов операндов иногда используют для классификации МП по числу адресуемых в команде операндов. В соответствии с этим классификационным признаком различают безадресные, одно-, двух- и трехадресные архитектуры.