Команды управления потоком команд

Концепция фон-неймановской вычислительной машины предполагает, что команды программы, как правило, выполняются в порядке их расположения в памяти. Для получения адреса очередной команды достаточно увеличить содержимое счет чика команд на длину текущей команды. В то же время основные преимущества ВМ заключаются именно в возможности изменения хода вычислений в зависимости от возникающих в процессе счета результатов. С этой целью в АСК вычислитедьной машины включаются команды, позволяющие нарушить естественный порядок следования и передать управление в иную точку программы. В адресной части таких команд содержится адрес точки перехода (адрес той команды, которая должна быть выполнена следующей). Переход реализуется путем загрузки адреса точки перехода в счетчик команд (вместо увеличения содержимого этого счетчика длину команды).

В системе команд ВМ можно выделить три типа команд, способных изменить последовательность вычислений:

• безусловные переходы;

• условные переходы (ветвления);

• вызовы процедур и возвраты из процедур.

Степень утилизации каждого из этих типов команд в реальных приложениях

'иллюстрирует диаграмма, приведенная на рис. 2.34.

Согласно приведенным данным, среди команд рассматриваемой группы доминируют условные переходы.

Несмотря на то что присутствие в программе большого числа команд безусловного перехода считается признаком плохого стиля программирования, такие команды обязательно входят в АСК любой ВМ. Для их обозначения в языке ассемблера обычно используется английское слово jump (прыжок). Команда безусловного перехода обеспечивает переход по заданному адресу без проверки каких-либо условий.

Условный переход происходит только при соблюдении определенного условия, в противном случае выполняется следующая по порядку команда программы. Большинство производителей ВМ в своих ассемблерах обозначают подобные команды словом branch (ветвление). Статистика случаев, когда переход имеет место, приведена на рис.8.2.

Рис. 8.2. Частота выполнения условия перехода

Условием, на основании которого осуществляется переход, чаще всего выступают признаки результата предшествующей арифметической или логической операции. Каждый из признаков фиксируется в своем разряде регистра флагов процессора. Возможен и иной подход, когда решение о. переходе принимается в зависимости от состояния одного из регистров общего назначения, куда предварительно помещается результат операции сравнения. Третий вариант — это объединение операций сравнения и перехода в одной команде.

В системе команд ВМ для каждого признака результата предусматривается своя команда ветвления (иногда — две: переход при наличии признака и переход при его отсутствии). Большая часть условных переходов связана с проверкой взаимного соотношения двух величин или с равенством (неравенством) некоторой величины нулю. Последний вид проверок используется в программах наиболее интенсивно, о чем свидетельствуют статистические данные, приведенные на рис. 8.3. На верхней диаграмме показаны частоты употребления разных видов условий для программ GCC, Spice и ТеХ, выполнявшихся на ВМ MIPS 2000. Нижняя диаграмма дает представление о результатах, полученных для двух тестовых смесей программ, где в одной из смесей превалировали целочисленные вычисления, а в другой - вычисления с плавающей запятой.

Рис. 8.3. Средняя частота использования различных условий перехода

в командах ветвления

Одной из форм команд условного перехода являются команды пропуска. В них адрес перехода отсутствует, а при выполнении условия происходит пропуск следующей команды, то есть предполагается, что отсутствующий в команде адрес следующей команды эквивалентен адресу текущей команды, увеличенному на длину пропускаемой команды. Такой прием позволяет сократить длину команд передачи управления.

Для всех языков программирования характерно интенсивное использование механизма процедур. Процедура может быть вызвана в любой точке программы. Для ВМ такой вызов означает, что в этой точке необходимо выполнить процедуру, после чего вернуться в точку, непосредственно следующую за местом вызова.

Процедурный механизм базируется на командах вызова процедуры, обеспечивающих переход из текущей точки программы к начальной команде процедуры, и командах возврата из процедуры, для возврата в точку, непосредственно распо ложенную за командой вызова. Такой режим предполагает наличие средств для сохранения текущего состояния содержимого счетчика команд в момент вызова (запоминание адреса точки возврата) и его восстановления при выходе из процедуры.

Форматы команд

Типовая команда, в общем случае, должна указывать:

• подлежащую выполнению операцию;

• адреса исходных данных (операндов), над которыми выполняется операция;

• адрес, по которому должен быть помещен результат операции.

В соответствии с этим команда состоит из двух частей: операционной и адрес­

ной (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Структура команды

Формат команды определяет ее структуру, то есть количество двоичных разрядов, отводимых под всю команду, а также количество и расположение отдельных полей команды. Полем называется совокупность двоичных разрядов, кодирующих составную часть команды. При создании ВМ выбор формата команды влияет на многие характеристики будущей машины. Оценивая возможные форматы, нужно учитывать следующие факторы:

• общее число различных команд;

• общую длину команды;

• тип полей команды (фиксированной или переменной длины) и их длина;

• простоту декодирования;

• адресуемость и способы адресации;

• стоимость оборудования для декодирования и исполнения команд.

Длина команды

Это важнейшее обстоятельство, влияющее на организацию и емкость памяти, структуру шин, сложность и быстродействие ЦП. С одной стороны, удобно иметь в распоряжении мощный набор команд, то есть как можно больше кодов операций, операндов, способов адресации, и максимальное адресное пространство. Однако все это требует выделения большего количества разрядов под каждое поле команды, что приводит к увеличению ее длины. Вместе с тем, для ускорения выборки из памяти желательно, чтобы команда была как можно короче, а ее длина была равна или кратна ширине шины данных. Для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия ВМ длину команды обычно выбирают кратной байту, поскольку в большинстве ВМ основная память организована в виде 8-битовых ячеек. В рамках системы команд одной ВМ могут использоваться разные форматы команд. Обычно это связано с применением различных способов адресации. В таком случае в состав кода команды вводится поле для задания способа адресации (СА), и обобщенный формат команды приобретает вид, показанный на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Обобщенный формат команды