2 наборы инструкций цп это

Приветствую! Далеко не все пользователи задумываются, как конкретно работает процессор и как ему удаётся работать с программами. И это, впрочем, и не нужно знать, так как видеть результат этой работы вполне достаточно. Но иногда возникает проблема, когда ЦП просто не может справиться с каким-нибудь ПО или что бывает даже чаще, игрой.

Причиной этого могут являться неподходящие характеристики ПК, а среди них иногда упоминается и недостаток инструкций процессора, само существование которых может вызывать озадаченность. А ведь инструкции процессора это именно то, что и позволяет ему работать с разными программами. Поэтому о них и поговорим далее.

Для чего нужны инструкции в процессорах

У термина «инструкция» здесь нет никакого особого значения, это всё так же некоторая последовательность действий, которую нужно выполнить для получения результата.

А так как обработка данных — это основная задача ЦП, они все используют наборы заложенных команд для выполнения различных операций с информацией. Здесь нужно учитывать, что любая программа, от ОС до игры — это тоже совокупность команд, и когда ЦП выполняет инструкции, которые нужны программе для работы, всё складывается, и вы получаете результаты.

Если команд нет или их набор в неподходящей версии, с выполнением программы будут трудности. Звучит просто, но на самом деле система сложнее, просто я делаю допущения для вашего удобства.

Пакет инструкций, поддерживаемых процессором, закладываются в него изначально, поэтому поменять вы его не сможете. Разве что купив новый, более мощный ЦП.

Какие наборы инструкций существуют и чем отличаются

Условно команды можно разделить на две большие группы — базовые и дополнительные. Базовые нужны для выполнения основных операций, которые и заставляют CPU работать, дополнительные — для особых задач и оптимизации работы ЦП.

Команды общего назначения выполняют универсальные арифметические, логические, информационные задачи, а также те, что связаны с переносом данных и т. д. То, какие инструкции может выполнять ваш ЦП, зависит от его архитектуры, чем она лучше, тем команд больше. А вот разрядность CPU, например, влияет на то, как много команд одновременно получится выполнить.

Базовые команды общие для всех процессоров, так что вам достаточно знать только архитектуру. А дополнительные различаются в зависимости от производителя CPU и версии, так как меняются чаще, чем фундаментальные.

Например, вы можете увидеть, что ваш ЦП поддерживает MMX. Это набор, который пригодится для ускоренной обработки фото, аудио и видео. Он был разработан Intel ещё в конце 90-х.

SSE обеспечивает устройствам от Intel быстродействие, когда одни и те же данные нужно использовать в разных вычислениях.

SSE2 необходима всему современному ПО, без этих команд у вас не будут работать ни версии Windows, начиная с 8, ни большинство программ. Например, даже браузеры от Яндекса и Google не получится запустить.

SSE3 пригодится для обработки графической, аудио и видеоинформации. Есть и другие версии SSE, каждая из которых имеет больше команд, чем предыдущая.

AES, которую также можно встретить в Intel, представляет собой расширение команд ЦП для ускорения работы программ и их большей защищённости. Название связано с алгоритмом шифрования Advanced Encryption Standard.

AVX, разработанный Intel в 2008, влияет как на вычислительные, так и мультимедийные возможности ЦП. А вот следующая версия, AVX 2, даёт прирост производительности при работе с фото, видео, аудио, программами распознавания голоса и т. д.

FMA ускоряет операции умножения и сложения с плавающей запятой, которые выполняются командами общего назначения.

А VT-x расширяет возможности работы ПК с виртуальными машинами.

Как вы могли заметить, инструкции, описанные выше, актуальны для Intel. А вот, например, для AMD есть свои:

• SenseMI — в первый раз использовался в Ryzen, прогнозирует программный код для лучшей производительности ЦП.
• AMD CoolCore — реализует временное отключение блоков процессора для снижения энергопотребления.
• AMD CoolSpeed — защищает ЦП от перегрева.
• AMD Enduro — ещё одна технология для энергосбережения.

Есть и универсальные технологии, вроде BMI или F16C.

Те наборы команд, которые я описал, лишь малая часть того, что вы можете встретить. Но я думаю и их достаточно, чтобы понять суть. Обращайте на них внимание в характеристиках программ, а в особенности игр, перед покупкой.

Как узнать какие инструкции поддерживает процессор

Вы наверняка уже задались вопросом, как узнать какие инструкции поддерживает процессор компьютера, и я могу на него ответить.

Для начала, вы можете найти список команд ЦП, просто сделав поисковый запрос. Зачастую нужная информация найдётся на официальных сайтах производителей ЦП. Если не получится, то на сайтах, посвящённых компьютерам, нередко есть целый раздел, где можно ввести название устройства в поиск и прочесть расширенные данные о нём. О наборах команд обязательно что-то будет.

Если не хотите искать, есть и другой способ, как посмотреть количество инструкций ЦП. Например, вы можете воспользоваться CPU-Z или другими подобными программами. В CPU-Z нужная информация будет в блоке «Instructions» прямо в первом окне. Скопируйте список и просто сравните его с требованиями для игр или ПО. Всё равно если вы не увидите подходящих версий, поможет только замена устройства.

На самом деле, инструкции процессора — не такая простая тема. Но описанного выше, думаю, вполне достаточно, чтобы иметь общее представление о том, что такое инструкции процессора и откуда их взять. Подробнее о других особенностях ЦП и остальных компонентах компьютеров поговорим в другой раз, и чтобы не пропустить новые публикации, нужно лишь подписаться на мои социальные сети, где новости всегда самые свежие. Увидимся!

С уважением, автор блога Андрей Андреев.

Процессоры миллионов компьютеров по всему миру знают только одно — непрерывно выполнять инструкции. А что такое инструкция? Читай дальше что бы узнать.

Что такое инструкция?

Инструкция — это минимальная единица программы, которая сообщает ЦП что делать с помощью серии инструкций, которые выполняются последовательно. Каждая инструкция представляет собой количество битов в двоичном коде, который разделен на три разные части:

• Биты инструкций: эти биты указывают, какую инструкцию будет выполнять ЦП, и поэтому путь, по которому инструкция будет следовать для выполнения, также называется кодом операции.
• Биты адресации: указывают, по какому адресу памяти хранятся данные.
• Биты режима: биты режима указывают, как выполняется инструкция, они используются, когда есть несколько способов выполнить инструкцию или есть разные условия.

Если вы хотите узнать, как процессор выполняет инструкции, мы рекомендуем статью » Вот как ваш процессор выполняет инструкции, которые дает ему программное обеспечение ”В HardZone, на том же сайте.

Инструкции по адресации

В зависимости от того, где находятся данные, у нас могут быть разные варианты одного и того же типа инструкций, способ, которым процессор получает доступ к данным, называется режимом адресации.

• Немедленная адресация используется, когда данные представляют собой одну и ту же инструкцию, в этом случае данные хранятся в регистре или внутренней памяти процессора, которые будут выполняться оттуда.
• Второй тип адресации — прямая, когда программа указывает адрес памяти, в котором находятся данные.
• Третий тип адресации — косвенный, который дает нам адрес, по которому находится адрес памяти, в котором находятся данные.

Следует уточнить, что некоторые инструкции не имеют режима адресации, поскольку они не требуют данных для выполнения.

Типы инструкций в ЦП

Вот краткое изложение наиболее распространенных инструкций, используемых различными процессорами. Эти инструкции являются общими для всех регистров и наборов инструкций, независимо от того, являются ли они x86, ARM, MIPS, PowerPC и так далее. Также не имеет значения, является ли набор инструкций RISC или CISC.

• Арифметические манипуляции инструкции — это те, которые выполняют операции математической обработки, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. А также более сложные операции, такие как тригонометрические формулы, квадратные корни, степени.
• Наблюдения и советы этой статьи мы подготовили на основании опыта команды логические инструкции — это второй тип инструкций, выполняемых ALU, на самом деле они представляют собой двоичные операции, имитирующие работу логических вентилей. То есть AND, OR, XOR, NAND, NOR, XNOR и NOT.
• Инструкции по манипулированию битами основаны на манипулировании битами идемной строки с помощью таких инструкций, как сдвиг бита влево или вправо, изменение порядка или их переключение.
• Инструкции по перемещению данных отвечает за перемещение данных из одной части памяти в другую, из одной памяти в другую, из процессора в память и из памяти в процессор.
• Инструкции по управлению программой те, которые активируются при выполнении определенных условий, таких как
• Наблюдения и советы этой статьи мы подготовили на основании опыта команды инструкции по переходу — это те, которые указывают, что программа переходит не к следующему адресу памяти, а к конкретному адресу памяти, который отмечен инструкцией перехода.

Типы данных и множественность инструкций

Потому что сегодня ЦП может работать с разными типами данных, например с целыми числами и с плавающей запятой. Некоторые арифметические инструкции часто дублируются для набора команд с плавающей запятой. Существуют также векторные инструкции, такие как наборы инструкций AVX или также известные как инструкции SIMD, которые работают с несколькими операндами одновременно.

Поскольку эти инструкции выполняются в разных единицах, они в конечном итоге требуют разных битов инструкций, а это означает, что добавление новых типов данных в процессор означает во многих случаях значительное увеличение набора инструкций, их сложности. . а также часть, которая декодирует и выполняет их на ЦП.

Инструмент проще, чем машина. Зачастую инструментом работают руками, а машину приводит в действие паровая сила или животное.

Компьютер тоже можно назвать машиной, только вместо паровой силы здесь электричество. Но программирование сделало компьютер таким же простым, как любой инструмент.

Процессор — это сердце/мозг любого компьютера. Его основное назначение — арифметические и логические операции, и прежде чем погрузиться в дебри процессора, нужно разобраться в его основных компонентах и принципах их работы.

Два основных компонента процессора

Устройство управления

Устройство управления (УУ) помогает процессору контролировать и выполнять инструкции. УУ сообщает компонентам, что именно нужно делать. В соответствии с инструкциями он координирует работу с другими частями компьютера, включая второй основной компонент — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.

Существует два типа реализации УУ:

• УУ на жёсткой логике (англ. hardwired control units). Характер работы определяется внутренним электрическим строением — устройством печатной платы или кристалла. Соответственно, модификация такого УУ без физического вмешательства невозможна.
• УУ с микропрограммным управлением (англ. microprogrammable control units). Может быть запрограммирован для тех или иных целей. Программная часть сохраняется в памяти УУ.

УУ на жёсткой логике быстрее, но УУ с микропрограммным управлением обладает более гибкой функциональностью.

Арифметико-логическое устройство

Это устройство, как ни странно, выполняет все арифметические и логические операции, например сложение, вычитание, логическое ИЛИ и т. п. АЛУ состоит из логических элементов, которые и выполняют эти операции.

Большинство логических элементов имеют два входа и один выход.

Ниже приведена схема полусумматора, у которой два входа и два выхода. A и B здесь являются входами, S — выходом, C — переносом (в старший разряд).

Схема арифметического полусумматора

Хранение информации — регистры и память

Как говорилось ранее, процессор выполняет поступающие на него команды. Команды в большинстве случаев работают с данными, которые могут быть промежуточными, входными или выходными. Все эти данные вместе с инструкциями сохраняются в регистрах и памяти.

Регистры

Регистр — минимальная ячейка памяти данных. Регистры состоят из триггеров (англ. latches/flip-flops). Триггеры, в свою очередь, состоят из логических элементов и могут хранить в себе 1 бит информации.

Прим. перев. Триггеры могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронные могут менять своё состояние в любой момент, а синхронные только во время положительного/отрицательного перепада на входе синхронизации.

По функциональному назначению триггеры делятся на несколько групп:

• RS-триггер: сохраняет своё состояние при нулевых уровнях на обоих входах и изменяет его при установке единице на одном из входов (Reset/Set — Сброс/Установка).
• JK-триггер: идентичен RS-триггеру за исключением того, что при подаче единиц сразу на два входа триггер меняет своё состояние на противоположное (счётный режим).
• T-триггер: меняет своё состояние на противоположное при каждом такте на его единственном входе.
• D-триггер: запоминает состояние на входе в момент синхронизации. Асинхронные D-триггеры смысла не имеют.

Для хранения промежуточных данных ОЗУ не подходит, т. к. это замедлит работу процессора. Промежуточные данные отсылаются в регистры по шине. В них могут храниться команды, выходные данные и даже адреса ячеек памяти.

Принцип действия RS-триггера

Память (ОЗУ)

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, англ. RAM) — это большая группа этих самых регистров, соединённых вместе. Память у такого хранилища непостоянная и данные оттуда пропадают при отключении питания. ОЗУ принимает адрес ячейки памяти, в которую нужно поместить данные, сами данные и флаг записи/чтения, который приводит в действие триггеры.

Прим. перев. Оперативная память бывает статической и динамической — SRAM и DRAM соответственно. В статической памяти ячейками являются триггеры, а в динамической — конденсаторы. SRAM быстрее, а DRAM дешевле.

Команды (инструкции)

Команды — это фактические действия, которые компьютер должен выполнять. Они бывают нескольких типов:

• Арифметические: сложение, вычитание, умножение и т. д.
• Логические: И (логическое умножение/конъюнкция), ИЛИ (логическое суммирование/дизъюнкция), отрицание и т. д.
• Информационные: move, input, outptut, load и store.
• Команды перехода: goto, if ... goto, call и return.
• Команда останова: halt.

Прим. перев. На самом деле все арифметические операции в АЛУ могут быть созданы на основе всего двух: сложение и сдвиг. Однако чем больше базовых операций поддерживает АЛУ, тем оно быстрее.

Инструкции предоставляются компьютеру на языке ассемблера или генерируются компилятором высокоуровневых языков.

В процессоре инструкции реализуются на аппаратном уровне. За один такт одноядерный процессор может выполнить одну элементарную (базовую) инструкцию.

Группу инструкций принято называть набором команд (англ. instruction set).

Тактирование процессора

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой его процессора. Тактовая частота — количество тактов (соответственно и исполняемых команд) за секунду.

Частота нынешних процессоров измеряется в ГГц (Гигагерцы). 1 ГГц = 10⁹ Гц — миллиард операций в секунду.

Чтобы уменьшить время выполнения программы, нужно либо оптимизировать (уменьшить) её, либо увеличить тактовую частоту. У части процессоров есть возможность увеличить частоту (разогнать процессор), однако такие действия физически влияют на процессор и нередко вызывают перегрев и выход из строя.

Выполнение инструкций

Инструкции хранятся в ОЗУ в последовательном порядке. Для гипотетического процессора инструкция состоит из кода операции и адреса памяти/регистра. Внутри управляющего устройства есть два регистра инструкций, в которые загружается код команды и адрес текущей исполняемой команды. Ещё в процессоре есть дополнительные регистры, которые хранят в себе последние 4 бита выполненных инструкций.

Ниже рассмотрен пример набора команд, который суммирует два числа:

1. LOAD_A 8. Это команда сохраняет в ОЗУ данные, скажем, <1100 1000>. Первые 4 бита — код операции. Именно он определяет инструкцию. Эти данные помещаются в регистры инструкций УУ. Команда декодируется в инструкцию load_A — поместить данные 1000 (последние 4 бита команды) в регистр A.
2. LOAD_B 2. Ситуация, аналогичная прошлой. Здесь помещается число 2 (0010) в регистр B.
3. ADD B A. Команда суммирует два числа (точнее прибавляет значение регистра B в регистр A). УУ сообщает АЛУ, что нужно выполнить операцию суммирования и поместить результат обратно в регистр A.
4. STORE_A 23. Сохраняем значение регистра A в ячейку памяти с адресом 23.

Вот такие операции нужны, чтобы сложить два числа.

Шина

Все данные между процессором, регистрами, памятью и I/O-устройствами (устройствами ввода-вывода) передаются по шинам. Чтобы загрузить в память только что обработанные данные, процессор помещает адрес в шину адреса и данные в шину данных. Потом нужно дать разрешение на запись на шине управления.

Кэш

У процессора есть механизм сохранения инструкций в кэш. Как мы выяснили ранее, за секунду процессор может выполнить миллиарды инструкций. Поэтому если бы каждая инструкция хранилась в ОЗУ, то её изъятие оттуда занимало бы больше времени, чем её обработка. Поэтому для ускорения работы процессор хранит часть инструкций и данных в кэше.

Если данные в кэше и памяти не совпадают, то они помечаются грязными битами (англ. dirty bit).

Поток инструкций

Современные процессоры могут параллельно обрабатывать несколько команд. Пока одна инструкция находится в стадии декодирования, процессор может успеть получить другую инструкцию.

Однако такое решение подходит только для тех инструкций, которые не зависят друг от друга.

Если процессор многоядерный, это означает, что фактически в нём находятся несколько отдельных процессоров с некоторыми общими ресурсами, например кэшем.

Если хотите узнать о процессорах больше, посмотрите, какие бывают популярные архитектуры: CISC, RISC, MISC и другие и виды.

Перевод статьи «How does a CPU work?»

In computer science, an instruction set architecture (ISA), also called computer architecture, is an abstract model of a computer. A device that executes instructions described by that ISA, such as a central processing unit (CPU), is called an implementation.

In general, an ISA defines the supported instructions, data types, registers, the hardware support for managing main memory, fundamental features (such as the memory consistency, addressing modes, virtual memory), and the input/output model of a family of implementations of the ISA.

An ISA specifies the behavior of machine code running on implementations of that ISA in a fashion that does not depend on the characteristics of that implementation, providing binary compatibility between implementations. This enables multiple implementations of an ISA that differ in characteristics such as performance, physical size, and monetary cost (among other things), but that are capable of running the same machine code, so that a lower-performance, lower-cost machine can be replaced with a higher-cost, higher-performance machine without having to replace software. It also enables the evolution of the microarchitectures of the implementations of that ISA, so that a newer, higher-performance implementation of an ISA can run software that runs on previous generations of implementations.

If an operating system maintains a standard and compatible application binary interface (ABI) for a particular ISA, machine code will run on future implementations of that ISA and operating system. However, if an ISA supports running multiple operating systems, it does not guarantee that machine code for one operating system will run on another operating system, unless the first operating system supports running machine code built for the other operating system.

An ISA can be extended by adding instructions or other capabilities, or adding support for larger addresses and data values; an implementation of the extended ISA will still be able to execute machine code for versions of the ISA without those extensions. Machine code using those extensions will only run on implementations that support those extensions.

The binary compatibility that they provide makes ISAs one of the most fundamental abstractions in computing.

Overview[edit]

An instruction set architecture is distinguished from a microarchitecture, which is the set of processor design techniques used, in a particular processor, to implement the instruction set. Processors with different microarchitectures can share a common instruction set. For example, the Intel Pentium and the AMD Athlon implement nearly identical versions of the x86 instruction set, but they have radically different internal designs.

The concept of an architecture, distinct from the design of a specific machine, was developed by Fred Brooks at IBM during the design phase of System/360.

Prior to NPL [System/360], the company’s computer designers had been free to honor cost objectives not only by selecting technologies but also by fashioning functional and architectural refinements. The SPREAD compatibility objective, in contrast, postulated a single architecture for a series of five processors spanning a wide range of cost and performance. None of the five engineering design teams could count on being able to bring about adjustments in architectural specifications as a way of easing difficulties in achieving cost and performance objectives.^[1]: p.137

Some virtual machines that support bytecode as their ISA such as Smalltalk, the Java virtual machine, and Microsoft’s Common Language Runtime, implement this by translating the bytecode for commonly used code paths into native machine code. In addition, these virtual machines execute less frequently used code paths by interpretation (see: Just-in-time compilation). Transmeta implemented the x86 instruction set atop VLIW processors in this fashion.

Classification of ISAs[edit]

An ISA may be classified in a number of different ways. A common classification is by architectural complexity. A complex instruction set computer (CISC) has many specialized instructions, some of which may only be rarely used in practical programs. A reduced instruction set computer (RISC) simplifies the processor by efficiently implementing only the instructions that are frequently used in programs, while the less common operations are implemented as subroutines, having their resulting additional processor execution time offset by infrequent use.^[2]

Other types include very long instruction word (VLIW) architectures, and the closely related long instruction word (LIW) and^{[citation needed]} explicitly parallel instruction computing (EPIC) architectures. These architectures seek to exploit instruction-level parallelism with less hardware than RISC and CISC by making the compiler responsible for instruction issue and scheduling.^[3]

Architectures with even less complexity have been studied, such as the minimal instruction set computer (MISC) and one-instruction set computer (OISC). These are theoretically important types, but have not been commercialized.^[4][5]

Instructions[edit]

Machine language is built up from discrete statements or instructions. On the processing architecture, a given instruction may specify:

• opcode (the instruction to be performed) e.g. add, copy, test
• any explicit operands:

registers

literal/constant values

addressing modes used to access memory

More complex operations are built up by combining these simple instructions, which are executed sequentially, or as otherwise directed by control flow instructions.

Instruction types[edit]

Examples of operations common to many instruction sets include:

Data handling and memory operations[edit]

• Set a register to a fixed constant value.
• Copy data from a memory location or a register to a memory location or a register (a machine instruction is often called move; however, the term is misleading). They are used to store the contents of a register, the contents of another memory location or the result of a computation, or to retrieve stored data to perform a computation on it later. They are often called load and store operations.
• Read and write data from hardware devices.

Arithmetic and logic operations[edit]

• Add, subtract, multiply, or divide the values of two registers, placing the result in a register, possibly setting one or more condition codes in a status register.^[6]
  • increment, decrement in some ISAs, saving operand fetch in trivial cases.
• Perform bitwise operations, e.g., taking the conjunction and disjunction of corresponding bits in a pair of registers, taking the negation of each bit in a register.
• Compare two values in registers (for example, to see if one is less, or if they are equal).
• Floating-point instructions for arithmetic on floating-point numbers.^[6]

Control flow operations[edit]

• Branch to another location in the program and execute instructions there.
• Conditionally branch to another location if a certain condition holds.
• Indirectly branch to another location.
• Call another block of code, while saving the location of the next instruction as a point to return to.

Coprocessor instructions[edit]

• Load/store data to and from a coprocessor or exchanging with CPU registers.
• Perform coprocessor operations.

Complex instructions[edit]

Processors may include «complex» instructions in their instruction set. A single «complex» instruction does something that may take many instructions on other computers. Such instructions are typified by instructions that take multiple steps, control multiple functional units, or otherwise appear on a larger scale than the bulk of simple instructions implemented by the given processor. Some examples of «complex» instructions include:

• transferring multiple registers to or from memory (especially the stack) at once
• moving large blocks of memory (e.g. string copy or DMA transfer)
• complicated integer and floating-point arithmetic (e.g. square root, or transcendental functions such as logarithm, sine, cosine, etc.)
• SIMD instructions, a single instruction performing an operation on many homogeneous values in parallel, possibly in dedicated SIMD registers
• performing an atomic test-and-set instruction or other read-modify-write atomic instruction
• instructions that perform ALU operations with an operand from memory rather than a register

Complex instructions are more common in CISC instruction sets than in RISC instruction sets, but RISC instruction sets may include them as well. RISC instruction sets generally do not include ALU operations with memory operands, or instructions to move large blocks of memory, but most RISC instruction sets include SIMD or vector instructions that perform the same arithmetic operation on multiple pieces of data at the same time. SIMD instructions have the ability of manipulating large vectors and matrices in minimal time. SIMD instructions allow easy parallelization of algorithms commonly involved in sound, image, and video processing. Various SIMD implementations have been brought to market under trade names such as MMX, 3DNow!, and AltiVec.

Instruction encoding[edit]

On traditional architectures, an instruction includes an opcode that specifies the operation to perform, such as add contents of memory to register—and zero or more operand specifiers, which may specify registers, memory locations, or literal data. The operand specifiers may have addressing modes determining their meaning or may be in fixed fields. In very long instruction word (VLIW) architectures, which include many microcode architectures, multiple simultaneous opcodes and operands are specified in a single instruction.

Some exotic instruction sets do not have an opcode field, such as transport triggered architectures (TTA), only operand(s).

Most stack machines have «0-operand» instruction sets in which arithmetic and logical operations lack any operand specifier fields; only instructions that push operands onto the evaluation stack or that pop operands from the stack into variables have operand specifiers. The instruction set carries out most ALU actions with postfix (reverse Polish notation) operations that work only on the expression stack, not on data registers or arbitrary main memory cells. This can be very convenient for compiling high-level languages, because most arithmetic expressions can be easily translated into postfix notation.^[7]

Conditional instructions often have a predicate field—a few bits that encode the specific condition to cause an operation to be performed rather than not performed. For example, a conditional branch instruction will transfer control if the condition is true, so that execution proceeds to a different part of the program, and not transfer control if the condition is false, so that execution continues sequentially. Some instruction sets also have conditional moves, so that the move will be executed, and the data stored in the target location, if the condition is true, and not executed, and the target location not modified, if the condition is false. Similarly, IBM z/Architecture has a conditional store instruction. A few instruction sets include a predicate field in every instruction; this is called branch predication.

Number of operands[edit]

Instruction sets may be categorized by the maximum number of operands explicitly specified in instructions.

(In the examples that follow, a, b, and c are (direct or calculated) addresses referring to memory cells, while reg1 and so on refer to machine registers.)

C = A+B

• 0-operand (zero-address machines), so called stack machines: All arithmetic operations take place using the top one or two positions on the stack:^[8] push a, push b, add, pop c.
  • C = A+B needs four instructions.^[9] For stack machines, the terms «0-operand» and «zero-address» apply to arithmetic instructions, but not to all instructions, as 1-operand push and pop instructions are used to access memory.
• 1-operand (one-address machines), so called accumulator machines, include early computers and many small microcontrollers: most instructions specify a single right operand (that is, constant, a register, or a memory location), with the implicit accumulator as the left operand (and the destination if there is one): load a, add b, store c.
  • C = A+B needs three instructions.^[9]
• 2-operand — many CISC and RISC machines fall under this category:
  • CISC — move A to C; then add B to C.
    • C = A+B needs two instructions. This effectively ‘stores’ the result without an explicit store instruction.
  • CISC — Often machines are limited to one memory operand per instruction: load a,reg1; add b,reg1; store reg1,c; This requires a load/store pair for any memory movement regardless of whether the add result is an augmentation stored to a different place, as in C = A+B, or the same memory location: A = A+B.
    • C = A+B needs three instructions.
  • RISC — Requiring explicit memory loads, the instructions would be: load a,reg1; load b,reg2; add reg1,reg2; store reg2,c.
    • C = A+B needs four instructions.
• 3-operand, allowing better reuse of data:^[10]
  • CISC — It becomes either a single instruction: add a,b,c
    • C = A+B needs one instruction.
  • CISC — Or, on machines limited to two memory operands per instruction, move a,reg1; add reg1,b,c;
    • C = A+B needs two instructions.
  • RISC — arithmetic instructions use registers only, so explicit 2-operand load/store instructions are needed: load a,reg1; load b,reg2; add reg1+reg2->reg3; store reg3,c;
    • C = A+B needs four instructions.
    • Unlike 2-operand or 1-operand, this leaves all three values a, b, and c in registers available for further reuse.^[10]
• more operands—some CISC machines permit a variety of addressing modes that allow more than 3 operands (registers or memory accesses), such as the VAX «POLY» polynomial evaluation instruction.

Due to the large number of bits needed to encode the three registers of a 3-operand instruction, RISC architectures that have 16-bit instructions are invariably 2-operand designs, such as the Atmel AVR, TI MSP430, and some versions of ARM Thumb. RISC architectures that have 32-bit instructions are usually 3-operand designs, such as the ARM, AVR32, MIPS, Power ISA, and SPARC architectures.

Each instruction specifies some number of operands (registers, memory locations, or immediate values) explicitly. Some instructions give one or both operands implicitly, such as by being stored on top of the stack or in an implicit register. If some of the operands are given implicitly, fewer operands need be specified in the instruction. When a «destination operand» explicitly specifies the destination, an additional operand must be supplied. Consequently, the number of operands encoded in an instruction may differ from the mathematically necessary number of arguments for a logical or arithmetic operation (the arity). Operands are either encoded in the «opcode» representation of the instruction, or else are given as values or addresses following the opcode.

Register pressure[edit]

Register pressure measures the availability of free registers at any point in time during the program execution. Register pressure is high when a large number of the available registers are in use; thus, the higher the register pressure, the more often the register contents must be spilled into memory. Increasing the number of registers in an architecture decreases register pressure but increases the cost.^[11]

While embedded instruction sets such as Thumb suffer from extremely high register pressure because they have small register sets, general-purpose RISC ISAs like MIPS and Alpha enjoy low register pressure. CISC ISAs like x86-64 offer low register pressure despite having smaller register sets. This is due to the many addressing modes and optimizations (such as sub-register addressing, memory operands in ALU instructions, absolute addressing, PC-relative addressing, and register-to-register spills) that CISC ISAs offer.^[12]

Instruction length[edit]

The size or length of an instruction varies widely, from as little as four bits in some microcontrollers to many hundreds of bits in some VLIW systems. Processors used in personal computers, mainframes, and supercomputers have minimum instruction sizes between 8 and 64 bits. The longest possible instruction on x86 is 15 bytes (120 bits).^[13] Within an instruction set, different instructions may have different lengths. In some architectures, notably most reduced instruction set computers (RISC), instructions are a fixed length, typically corresponding with that architecture’s word size. In other architectures, instructions have variable length, typically integral multiples of a byte or a halfword. Some, such as the ARM with Thumb-extension have mixed variable encoding, that is two fixed, usually 32-bit and 16-bit encodings, where instructions cannot be mixed freely but must be switched between on a branch (or exception boundary in ARMv8).

Fixed-length instructions are less complicated to handle than variable-length instructions for several reasons (not having to check whether an instruction straddles a cache line or virtual memory page boundary,^[10] for instance), and are therefore somewhat easier to optimize for speed.

Code density[edit]

In early 1960s computers, main memory was expensive and very limited, even on mainframes. Minimizing the size of a program to make sure it would fit in the limited memory was often central. Thus the size of the instructions needed to perform a particular task, the code density, was an important characteristic of any instruction set. It remained important on the initially-tiny memories of minicomputers and then microprocessors. Density remains important today, for smartphone applications, applications downloaded into browsers over slow Internet connections, and in ROMs for embedded applications. A more general advantage of increased density is improved effectiveness of caches and instruction prefetch.

Computers with high code density often have complex instructions for procedure entry, parameterized returns, loops, etc. (therefore retroactively named Complex Instruction Set Computers, CISC). However, more typical, or frequent, «CISC» instructions merely combine a basic ALU operation, such as «add», with the access of one or more operands in memory (using addressing modes such as direct, indirect, indexed, etc.). Certain architectures may allow two or three operands (including the result) directly in memory or may be able to perform functions such as automatic pointer increment, etc. Software-implemented instruction sets may have even more complex and powerful instructions.

Reduced instruction-set computers, RISC, were first widely implemented during a period of rapidly growing memory subsystems. They sacrifice code density to simplify implementation circuitry, and try to increase performance via higher clock frequencies and more registers. A single RISC instruction typically performs only a single operation, such as an «add» of registers or a «load» from a memory location into a register. A RISC instruction set normally has a fixed instruction length, whereas a typical CISC instruction set has instructions of widely varying length. However, as RISC computers normally require more and often longer instructions to implement a given task, they inherently make less optimal use of bus bandwidth and cache memories.

Certain embedded RISC ISAs like Thumb and AVR32 typically exhibit very high density owing to a technique called code compression. This technique packs two 16-bit instructions into one 32-bit word, which is then unpacked at the decode stage and executed as two instructions.^[14]

Minimal instruction set computers (MISC) are commonly a form of stack machine, where there are few separate instructions (8–32), so that multiple instructions can be fit into a single machine word. These types of cores often take little silicon to implement, so they can be easily realized in an FPGA or in a multi-core form. The code density of MISC is similar to the code density of RISC; the increased instruction density is offset by requiring more of the primitive instructions to do a task.^{[15][failed verification]}

There has been research into executable compression as a mechanism for improving code density. The mathematics of Kolmogorov complexity describes the challenges and limits of this.

In practice, code density is also dependent on the compiler. Most optimizing compilers have options that control whether to optimize code generation for execution speed or for code density. For instance GCC has the option -Os to optimize for small machine code size, and -O3 to optimize for execution speed at the cost of larger machine code.

Representation[edit]

The instructions constituting a program are rarely specified using their internal, numeric form (machine code); they may be specified by programmers using an assembly language or, more commonly, may be generated from high-level programming languages by compilers.^[16]

Design[edit]

The design of instruction sets is a complex issue. There were two stages in history for the microprocessor. The first was the CISC (Complex Instruction Set Computer), which had many different instructions. In the 1970s, however, places like IBM did research and found that many instructions in the set could be eliminated. The result was the RISC (Reduced Instruction Set Computer), an architecture that uses a smaller set of instructions. A simpler instruction set may offer the potential for higher speeds, reduced processor size, and reduced power consumption. However, a more complex set may optimize common operations, improve memory and cache efficiency, or simplify programming.

Some instruction set designers reserve one or more opcodes for some kind of system call or software interrupt. For example, MOS Technology 6502 uses 00_H, Zilog Z80 uses the eight codes C7,CF,D7,DF,E7,EF,F7,FF_H^[17] while Motorola 68000 use codes in the range A000..AFFF_H.

Fast virtual machines are much easier to implement if an instruction set meets the Popek and Goldberg virtualization requirements.^{[clarification needed]}

The NOP slide used in immunity-aware programming is much easier to implement if the «unprogrammed» state of the memory is interpreted as a NOP.^{[dubious – discuss]}

On systems with multiple processors, non-blocking synchronization algorithms are much easier to implement^{[citation needed]} if the instruction set includes support for something such as «fetch-and-add», «load-link/store-conditional» (LL/SC), or «atomic compare-and-swap».

Instruction set implementation[edit]

A given instruction set can be implemented in a variety of ways. All ways of implementing a particular instruction set provide the same programming model, and all implementations of that instruction set are able to run the same executables. The various ways of implementing an instruction set give different tradeoffs between cost, performance, power consumption, size, etc.

When designing the microarchitecture of a processor, engineers use blocks of «hard-wired» electronic circuitry (often designed separately) such as adders, multiplexers, counters, registers, ALUs, etc. Some kind of register transfer language is then often used to describe the decoding and sequencing of each instruction of an ISA using this physical microarchitecture.
There are two basic ways to build a control unit to implement this description (although many designs use middle ways or compromises):

1. Some computer designs «hardwire» the complete instruction set decoding and sequencing (just like the rest of the microarchitecture).
2. Other designs employ microcode routines or tables (or both) to do this, using ROMs or writable RAMs (writable control store), PLAs, or both.

Some microcoded CPU designs with a writable control store use it to allow the instruction set to be changed (for example, the Rekursiv processor and the Imsys Cjip).^[18]

CPUs designed for reconfigurable computing may use field-programmable gate arrays (FPGAs).

An ISA can also be emulated in software by an interpreter. Naturally, due to the interpretation overhead, this is slower than directly running programs on the emulated hardware, unless the hardware running the emulator is an order of magnitude faster. Today, it is common practice for vendors of new ISAs or microarchitectures to make software emulators available to software developers before the hardware implementation is ready.

Often the details of the implementation have a strong influence on the particular instructions selected for the instruction set. For example, many implementations of the instruction pipeline only allow a single memory load or memory store per instruction, leading to a load–store architecture (RISC). For another example, some early ways of implementing the instruction pipeline led to a delay slot.

The demands of high-speed digital signal processing have pushed in the opposite direction—forcing instructions to be implemented in a particular way. For example, to perform digital filters fast enough, the MAC instruction in a typical digital signal processor (DSP) must use a kind of Harvard architecture that can fetch an instruction and two data words simultaneously, and it requires a single-cycle multiply–accumulate multiplier.

See also[edit]

• Comparison of instruction set architectures
• Computer architecture
• Processor design
• Compressed instruction set
• Emulator
• Simulation
• Instruction set simulator
• OVPsim full systems simulator providing ability to create/model/emulate any instruction set using C and standard APIs
• Register transfer language (RTL)
• Micro-operation

References[edit]

Further reading[edit]

• Bowen, Jonathan P. (July–August 1985). «Standard Microprocessor Programming Cards». Microprocessors and Microsystems. 9 (6): 274–290. doi:10.1016/0141-9331(85)90116-4.
• Hennessy, John L.; Patterson, David A. (2003). Computer Architecture: A Quantitative Approach (Third ed.). Morgan Kaufmann Publishers. ISBN 1-55860-724-2. Retrieved 2023-03-04.

External links[edit]

• Media related to Instruction set architectures at Wikimedia Commons
• Programming Textfiles: Bowen’s Instruction Summary Cards
• Mark Smotherman’s Historical Computer Designs Page

Каковы пошаговые инструкции, которые говорят компьютеру, что делать??

программное обеспечение, инструкции, которые сообщают компьютеру, что делать. Программное обеспечение включает в себя весь набор программ, процедур и подпрограмм, связанных с работой компьютерной системы. Этот термин был придуман, чтобы отличить эти инструкции от аппаратного обеспечения, то есть физических компонентов компьютерной системы.

Какие пошаговые инструкции даны компьютеру в отношении конкретной работы?

Программное обеспечение на самом деле является компьютерная программа. Чтобы быть более конкретным, программа представляет собой набор пошаговых инструкций, которые предписывают компьютеру выполнять задачи, которые вы от него хотите, и получать желаемые результаты. Программист — это человек, который пишет программы.

Какие инструкции говорят компьютеру, что делать quizlet?

Программное обеспечение это инструкции, которые сообщают аппаратному обеспечению компьютера, что делать.

Что такое компьютерные инструкции?

Компьютерные инструкции набор инструкций машинного языка, которые понимает и выполняет конкретный процессор. Компьютер выполняет задачи на основе предоставленной инструкции. Инструкция состоит из групп, называемых полями.

Является ли процесс предоставления пошаговых инструкций компьютеру?

Программа представляет собой набор пошаговых инструкций, которые предписывают компьютеру выполнять задачи, которые вы от него хотите, и получать желаемые результаты. Есть как минимум три веские причины для изучения программирования: Программирование помогает вам понять компьютеры.

Как называются команды, данные компьютеру?

Набор инструкций, данных компьютеру, называется программа. Компьютерное программирование относится к деталям или шагам инструкций, данных компьютеру на соответствующем языке программирования, которые позволяют компьютеру выполнять различные задачи последовательно или даже с перерывами.

Что такое инструкция по архитектуре компьютера?

Инструкция команда, отдаваемая компьютерному процессору компьютерной программой. … В языке ассемблера компьютера каждый оператор языка обычно соответствует одной инструкции процессора.

Как происходит запуск компьютера?

В вычислениях загрузка это процесс запуска компьютера. Это может быть инициировано аппаратным обеспечением, например нажатием кнопки, или программной командой. … Перезагрузка компьютера также называется перезагрузкой, которая может быть «жесткой», например. после переключения питания ЦП с выключенного на включённое или «мягкое», когда питание не отключается.

Какова основная функция компьютеров quizlet?

Четыре основные функции компьютера, которые работают вместе в компьютерной системе: ввод, обработка, вывод и хранение. Аппаратное обеспечение, отвечающее за управление компьютерными командами и операциями. Компьютерное оборудование, сохраняющее информацию после выключения компьютера.

Какой набор инструкций, которые использует ЦП, называется quizlet?

Язык, очень близкий к набору инструкций, используемому центральным процессором (ЦП). Язык низкого уровня, состоящий из нулей и единиц, которые использует центральный процессор (ЦП) компьютера. Также называемый Машинный код.

Что такое компьютерное обучение и его виды?

Арифметические, логические и сдвиговые инструкции (и добавить, дополнить, перемещать влево, вправо и т. д.) Перемещать информацию в память и из памяти (сохранять аккумулятор, загружать аккумулятор) Инструкции управления программой с условиями состояния (разветвление, пропуск) Инструкции ввода-вывода (вводной символ, выходной символ )

Что такое инструктивный ответ?

Ответ: Определение инструкции акт воспитания, указывая шаги, которые необходимо выполнить, или приказ. Примером инструкции является то, что кто-то дает другому человеку подробные указания о библиотеке. имя существительное.

Что такое виды обучения?

Типы инструкций включают загружать и хранить с резервированием, синхронизацией и принудительным выполнением операций ввода-вывода по порядку. Они особенно полезны для многопроцессорной обработки. Инструкции управления потоком. К ним относятся команды перехода, логические регистры условий, прерывания и другие инструкции, влияющие на поток инструкций.

Что такое набор команд компьютерной системы?

Набор инструкций, также называемый ISA (архитектура набора инструкций), является частью компьютера, относящейся к программированию, которое является более или менее машинным языком. Набор инструкций подает команды процессору, чтобы сказать ему, что ему нужно сделать.

Какой тип инструкций нужен компьютеру для выполнения действия?

Книга C++ Early Objects определяет программа как «набор инструкций, которым компьютер следует, чтобы выполнить задачу. Язык программирования — это специальный язык, используемый для написания компьютерных программ». Компьютеры и программное обеспечение идут рука об руку.

Каковы 5 типов командных операций?

Примеры операций, общих для многих наборов инструкций, включают:

• Обработка данных и операции с памятью.
• Арифметические и логические операции.
• Управление потоком операций.
• Инструкции к сопроцессору.
• Количество операндов.

Смотрите также, для чего можно использовать осадочные породы

Что такое инструкции?

1a инструкции во множественном числе: план или руководство по техническая процедура : направления. b : указание, призывающее к соблюдению: порядок — обычно используется во множественном числе, имел инструкции не допускать незнакомцев. c : код, который сообщает компьютеру выполнить определенную операцию.

Какие коды инструкций?

Код инструкции группа битов, которые предписывают компьютеру выполнить определенную операцию. Код операции инструкции представляет собой группу битов, определяющих такие операции, как сложение, вычитание, сдвиг, дополнение и т. д.

Каковы 4 функции компьютера?

4 функции компьютера

• Ввод данных.
• Обработка данных.
• Вывод информации.
• Хранение данных и информации.

Каковы четыре основные операции компьютера?

Выделяют четыре основные функции оборудования компьютерной системы: Ввод, обработка, хранение и вывод.

Какова основная функция компьютера?

Получение данных и инструкций от пользователя, обработка данных в соответствии с инструкциями и отображение или хранение обработанных данных — четыре основные функции компьютера.

Что из следующего используется для записи инструкций непосредственно в ЦП?

машинный код В компьютерном программировании, Машинный код это любой язык программирования низкого уровня, состоящий из инструкций машинного языка, который используется для управления центральным процессором компьютера (ЦП).

Набор инструкций, который управляет компьютером?

Объяснение: Операционная система можно определить как программную систему, которая используется для управления компьютерными программами, программными ресурсами и компьютерным оборудованием. … Наиболее распространенными операционными системами являются Apple, Linux, Microsoft Windows и Android.

Наборы инструкций, которые контролируют деятельность компьютера?

Набор инструкций, которым следует компьютер для выполнения задачи. Программное обеспечение также известные как программы, созданные этими людьми.

Каковы четыре различных типа инструкций?

Инструкции языка Machne бывают четырех типов: арифметические, логические, передача данных и ответвления (также называемые управлением потоком), а именно:

• Арифметика: add (сложение), sub (вычитание), mult (умножение), div (деление).
• Логические: и , или , srl (логический сдвиг вправо), ssl (логический сдвиг влево)

Смотрите также, сколько будет 20 разделить на 3.

Чем отличаются части инструкции?

Инструкция в памяти состоит из двух частей: код операции и операнды.

Как вы приводите примеры инструкций?

Дополнительные примеры приведены ниже.

1. Ты не мог бы сделать мне чаю?
2. Не могли бы вы опубликовать это письмо?
3. Не могли бы вы одолжить мне 50 долларов, пожалуйста?
4. Не могли бы вы принести мне этот файл, пожалуйста?
5. Не могли бы вы забрать детей из школы, пожалуйста?
6. Можете ли вы прийти сюда, пожалуйста?
7. Ты можешь сделать кое-что для меня?
8. Ты можешь сделать это для меня?

Что вы имеете в виду под инструкциями и программами?

программное обеспечение, инструкции, которые сказать компьютеру, что делать. Программное обеспечение включает в себя весь набор программ, процедур и подпрограмм, связанных с работой компьютерной системы. … Набор инструкций, который направляет аппаратное обеспечение компьютера на выполнение задачи, называется программой или программным обеспечением.

Кто дает инструкции компьютеру?

Инструкции, данные компьютеру, даются человек с помощью клавиатуры или любого другого устройства ввода. Компьютер использует программное обеспечение или ОС для интерпретации этих инструкций, которые также запрограммированы человеком для перевода пользовательских команд.

Как определить инструкции?

Определите тип инструкции

1. Сигнал синхронизации, активный после декодирования, равен T3. В течение времени T блок управления определяет тип инструкции, которая только что была прочитана из памяти. …
2. Выход декодера D, равен 1, если код операции равен двоичному Il l. …
3. регистр-ссылка или тип ввода-вывода.

Каковы 3 типа инструкций?

Компьютер должен иметь следующие типы инструкций:

• Инструкции по передаче данных.
• Инструкции по работе с данными.
• Инструкции по последовательности программ и управлению.
• Инструкции ввода и вывода.

Смотрите также, как образуется снег

Как вы пишете инструкции?

Контрольный список для написания инструкций

1. Используйте короткие предложения и короткие абзацы.
2. Расположите точки в логическом порядке.
3. Сделайте свои утверждения конкретными.
4. Используйте повелительное наклонение.
5. Поместите самое важное в каждом предложении в начало.
6. Скажи что-нибудь одно в каждом предложении.

Какой набор инструкций?

Набор инструкций группа команд для процессора на машинном языке. … Все ЦП имеют наборы инструкций, которые позволяют передавать процессору команды, предписывающие ЦП переключать соответствующие транзисторы. Некоторые инструкции представляют собой простые команды чтения, записи и перемещения, которые направляют данные на другое оборудование.

Какие инструкции ввода сообщают компьютеру, как вы обрабатываете данные?

Программы это инструкции, которые сообщают компьютеру, как обрабатывать данные в желаемой форме. В большинстве случаев слова «программное обеспечение» и «программы» взаимозаменяемы. Существует два вида программного обеспечения: прикладное программное обеспечение и системное программное обеспечение.

Что делает что в вашем компьютере? Компоненты компьютера Объяснение

Базовые компьютерные навыки — ориентация

Как сделать бумажный подарочный пакет | Бумажный пакет своими руками | Легкий подарочный пакет| #шорты

Как построить собрать компьютер шаг за шагом