Архитектура системы команд
Системой команд вычислительной машины называют полный перечень команд, которые способна выполнять данная ВМ. В свою очередь, под архитектурой системы команд (АСК) принято определять те средства вычислительной машины, которые видны и доступны программисту. АСК можно рассматривать как линию согласования нужд разработчиков программного обеспечения с возможностями создателей аппаратуры вычислительной машины (рис. 20).
Рис.20. Архитектура системы команд как интерфейс
между программным и аппаратным обеспечением
В конечном итоге, цель тех и других - реализация вычислений наиболее эффективным образом, то есть за минимальное время, и здесь важнейшую роль играет правильный выбор архитектуры системы команд.
В
упрощенной трактовке время выполнения
программы (Твыч)
можно определить через число команд в
программе (Nком),
среднее
количество тактов процессора, приходящихся
на одну команду (CPI),
и
длительность тактового периода
пр:
Tвыч=Nком
CPI
np.
Каждая из составляющих выражения зависит от одних аспектов архитектуры системы команд и, в свою очередь, влияет на другие (рис. 21), что свидетельствует о необходимости чрезвычайно ответственного подхода к выбору АСК.
Рис.21. Взаимосвязь между системой команд и факторами, определяющими эффективность вычислений
Общая характеристика архитектуры системы команд вычислительной машины определяется следующими факторами:
1. Какого вида данные будут представлены в вычислительной машине и в
какой форме?
2. Где эти данные могут храниться помимо основной памяти?
3. Каким образом будет осуществляться доступ к данным?
4. Какие операции могут быть выполнены над данными?
5. Сколько операндов может присутствовать в команде?
6. Как будет определяться адрес очередной команды?
7. Каким образом будут закодированы команды?
Рассмотрим наиболее распространенные архитектуры системы команд, как в описательном плане, так и с позиций эффективности. Далее приводятся доступные статистические данные, позволяющие дополнить качественный анализ различных АСК количественными показателями. Большинство представленных статистических данных почерпнуто из общепризнанного источника — публикаций Д. Хеннеси и Д. Паттерсона приведенных в [2]. Данные были получены в результате реализации на вычислительной машине DEC VAX трех программных продуктов: компилятора с языка С GCC, текстового редактора ТеХ и системы автоматизированного проектирования Spice. Считается, что GCC и ТеХ показательны для программных приложений, где превалируют целочисленные вычисления и обработка текстов, a Spice может рассматриваться как типичный представитель вычислений с вещественными числами. С учетом того, что архитектура вычислительной машины VAX в известном смысле уже устарела, Хеннеси и Паттерсоном, а также приверженцами их методики были проведены дополнительные исследования, где программы GCC, Spice и ТеХ выполнялись на более современной ВМ, в частности MIPS R2000. Доступные данные для этого варианта также приводятся.