Расширение кода операций

В предыдущем подразделе мы увидели, что короткие адреса препятствуют удачной дискретности памяти. В этом разделе мы рассмотрим компромиссы, связанные с кодами операций и адресами. Рассмотрим команду размером п + к бит с кодом операции в к бит и одним адресом в п бит. Такая команда допускает 2к различных операций и 2п адресуемых ячеек памяти. В качестве альтернативы те же п + & бит молено разбить на код операции в & - 1 бит и адрес в /2+1 бит. При этом будет либо в два раза меньше команд, но в два раза больше памяти, либо то же количество памяти, но дискретность вдвое выше. Код операции в & + 1 бит и адрес в п - 1 бит дает большее количество операций, но ценой этого является либо меньшее количество ячеек памяти, либо не очень удачная дискретность при том же объеме памяти. Наряду с подобными простыми компромиссами между битами кода операции и битами адреса существуют и более сложные. Обсуждаемый здесь механизм называется расширением кода операций.

Понятие расширения кода операций можно пояснить на примере. Рассмотрим машину, в которой длина команд составляет 16 бит, а длина адресов - 4 бита, как показано на рис. 5.8. Это вполне разумно для машины, содержащей 16 регистров (а следовательно, 4-разрядный адрес регистра), с которыми совершаются все арифметические операции. Один из возможных вариантов - включение в каждую команду 4-разрядного кода операции и трех адресов, что дает 16 трехадресных команд.

Рис. 5.8. Команда с 4-разрядным кодом операции и тремя 4-разрядными адресными полями

Если разработчикам нужно 15 трехадресных команд, 14 двухадресных команд, 31 одноадресная команда и 16 безадресных команд, они могут использовать коды операций от 0 до 14 в качестве трехадресных команд, а код операции 15 уже интерпретировать по-другому (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Расширение кода операции обеспечивает 15 трехадресных команд, 14 двухадресных команд, 31 одноадресную команду и 16 безадресных команд. Поля хххх, уууу и гггг - это 4-разрядные адресные поля

Это значит, что код операции 15 содержится в битах с 8-го по 15-й, а не с 12-го по 15-й. Биты с 0-го по 3-й и с 4-го по 7-й, как и раньше, формируют два адреса. Все 14 двухадресных команд содержат число 1111 в старших четырех битах и числа от 0000 до 1101 в битах с 8-го по 11-й. Команды с числом 1111 в старших четырех битах и числом 1110 или 1111 в битах с 8-го по 11-й рассматриваются особо. Они трактуются так, как будто их коды операций находятся в битах с 4-го по 15-й. В результате получаем 32 новых кода операций. А поскольку требуется всего 31 код, то код 111111111111 означает, что действительный код операции находится в битах с 0-го по 15-й, что дает 16 безадресных команд.

Как видим, код операции становится все длиннее и длиннее: трехадресные команды имеют 4-разрядный код операции, двухадресные команды - 8-разрядный, одноадресные команды - 12-разрядный, а безадресные команды - 16-разрядный.

Идея расширения кода операций наглядно демонстрирует компромисс между пространством для кодов операций и пространством для другой информации. Однако на практике все не так просто и понятно, как в нашем примере. Есть только два способа изменения размера кода операций. С одной стороны, можно иметь все команды одинаковой длины, приписывая самые короткие коды операций тем командам, которым нужно больше всего битов для спецификации чего-либо другого. С другой стороны, можно свести к минимуму средний размер команды, если выбрать самые короткие коды операций для часто используемых команд и самые длинные - для редко используемых.

Если довести эту идею до конца, можно свести к минимуму среднюю длину команды, закодировав каждую команду, чтобы максимально уменьшить число требуемых битов. К сожалению, это ведет к наличию команд разных размеров, причем не выровненных в границах байтов. Пока существуют архитектуры команд с таким свойством (например, Intel 432), выравнивание будет иметь большое значение для быстрого декодирования команд. Тем не менее, эта идея часто применяется на уровне байтов.

Поиск по сайту: