Цикл выполнения команды
Программа в фон-неймановской ЭВМ реализуется центральным процессором (ЦП) посредством последовательного исполнения образующих эту программу команд. Действия, требуемые для выборки (извлечения из основной памяти) и выполнения команды, называют циклом команды. В общем случае цикл команды включает в себя несколько составляющих (этапов):
· выборку команды;
· формирование адреса следующей команды;
· декодирование команды;
· вычисление адресов операндов;
· выборку операндов;
· исполнение операции;
· запись результата.
Перечисленные этапы выполнения команды в дальнейшем будем называть стандартным циклом команды. Отметим, что не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), тем не менее этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения имеют место всегда.
В определенных ситуациях возможны дополнительные этапы, например, при обработке косвенной адресации.
Кратко охарактеризуем каждый из вышеперечисленных этапов стандартного цикла команды. Следует учитывать, что приводимое описание имеет целью лишь дать представление о сущности каждого из этапов. В то же время распределение функций по разным этапам цикла команды и последовательность выполнения некоторых из них в реальных ВМ могут отличаться от излагаемых.
Этап выборки команды
Цикл любой команды начинается с того, что центральный процессор извлекает команду из памяти, используя адрес, хранящийся в счетчике команд (СК). Двоичный код команды помещается в регистр команды (РК) и с этого момента становится «видимым» для процессора. Система команд многих ВМ предполагает несколько форматов команд, причем в разных форматах команда может занимать 1, 2 или более ячеек, а этап выборки команды можно считать завершенным лишь после того, как в РК будет помещен полный код команды. Информация о фактической длине команды содержится в полях кода операции и способа адресации. Обычно эти поля располагают в первом слове кода команды, и для выяснения необходимости продолжения процесса выборки необходимо предварительное декодирование их содержимого. Такое декодирование может быть произведено после того, как первое слово кода команды окажется в РК. В случае многословного формата команды процесс выборки продолжается вплоть до занесения в РК всех слов команды.
Этап формирования адреса следующей команды
Для фон-неймановских машин характерно размещение соседних команд программы в смежных ячейках памяти. Если извлеченная команда не нарушает естественного порядка выполнения программы, для вычисления адреса следующей выполняемой команды достаточно увеличить содержимое счетчика команд на длину текущей команды, представленную количеством занимаемых кодом команды ячеек памяти. Для однословной команды это описывается микрооперацией: +1СК: СК:= СК+1.
Длина команды, а также то, способна ли она изменить естественный порядок выполнения команд программы, выясняются в ходе предварительного декодирования. Если извлеченная команда способна изменить последовательность выполнения программы (команда условного или безусловного перехода, вызова процедуры и т.п.), процесс формирования адреса следующей команды переносится на этап исполнения операции. В силу сказанного, в ряде ВМ рассматриваемый этап цикла команды следует не за выборкой команды, а находится в конце цикла.
Этап декодирования команды
После выборки команды она должна быть декодирована, для чего ЦП расшифровывает находящийся в РК код команды. В результате декодирования выясняются следующие моменты:
· находится ли в РК полный код команды или требуется дозагрузка остальных слов команды;
· какие последующие действия нужны для выполнения данной команды;
· если команда использует операнды, то откуда они должны быть взяты (номер регистра или адрес ячейки основной памяти);
· если команда формирует результат, то куда этот результат должен быть направлен.
Ответы на два первых вопроса дает расшифровка кода операции, результатом которой может быть унитарный код, где каждый разряд соответствует одной из команд. На практике вместо унитарного кода могут встретиться самые разнообразные формы представления результатов декодирования, например адрес ячейки специальной управляющей памяти, где хранится первая микрокоманда микропрограммы для реализации указанной в команде операции.
Полное выяснение всех аспектов команды, помимо расшифровки кода операции, требует также анализа адресной части команды, включая поле способа адресации.
По результатам декодирования производится подготовка электронных схем ВМ к выполнению предписанных командой действий.