ISA opcodes --- Nereden geliyorlar?

Mühendisler bir talimat seti mimarisi tasarlarken, varsa hangi prosedür veya protokolle, belirli ikili kodları talimat olarak belirlerken takip ederler. Örneğin, 10110'un bir yük talimatı olduğunu söyleyen bir ISA'm varsa, bu ikili sayı nereden geldi? Bir yük işlemini temsil eden bir sonlu durum makinesi için durum tablosundan modellenmiş miydi?

Düzenleme: Daha fazla araştırma yaptıktan sonra, çeşitli CPU talimatları için opcodes nasıl atandığını endişe sormaya çalışıyorum inanıyorum. ADD, 10011 kodlu bir kodla belirtilebilir; Bir yük talimatı 10110 olarak atanmış olabilir. Komut kümesi için bu ikili opcodların atanması için hangi düşünce süreci başlar?

Çoğu durumda, seçim oldukça keyfi veya ISA'lar zamanla büyüdükçe "en uygun yere" dayanıyor. Bununla birlikte, MOS 6502, sınırlı transistörlerden mümkün olduğunca sıkmaya çalışarak ISA tasarımının büyük ölçüde etkilendiği harika bir çip örneğidir.

Check out 6502 ters mühendislik nasıl açıklayan bu videoyu özellikle itibaren 34:20 dan.

6502, 1975'te tanıtılan 8 bitlik bir mikroişlemcidir. Z80'den% 60 daha az kapıya sahip olmasına rağmen, iki kat daha hızlıydı ve daha fazla kısıtlanmış olmasına rağmen (kayıtlar vb. Açısından), zarif talimat seti.

6502'nin çeşitli katmanlarını oluşturan, daha sonra optik olarak daraltılmış bazı büyük plastik levhalar üzerinde sürünen küçük bir ekip tarafından elle çekilen sadece 3510 transistör içerir .

Aşağıda görebileceğiniz gibi, 6502, talimat op kodunu ve zamanlama verilerini kod çözme ROM'una geçirir, ardından amacı muhtemelen belirli karmaşık durumlarda ROM çıktısını geçersiz kılmak olan bir "rastgele kontrol mantığı" bileşenine geçirir.

Videoda 37: 00'de kod çözme ROM'unda, girişlerin belirli bir kontrol çıkışı için "1" elde etmek için hangi koşulları yerine getirmesi gerektiğini gösteren bir tablo görebilirsiniz. Ayrıca bu sayfada bulabilirsiniz .

Bu tablodaki şeylerin çoğunun çeşitli konumlarda X'leri olduğunu görebilirsiniz. Örneğin alalım

011XXXXX 2 X RORRORA

Bu, op kodun ilk 3 bitinin 011 ve G'nin 2 olması gerektiği anlamına gelir; Nothing Else Matters. Eğer öyleyse, RORRORA adlı çıktı gerçek olur. Tüm ROR opodları 011 ile başlar; ancak 011 ile başlayan başka talimatlar da vardır. Bunların muhtemelen "rastgele kontrol mantığı" birimi tarafından filtrelenmesi gerekir.

Temel olarak, opcodlar seçildi, böylece birbirleriyle aynı şeyi yapmak için gereken talimatlar bit desenlerinde ortak bir şeye sahipti. Bunu bir opcode tablosuna bakarak görebilirsiniz ; tüm VEYA talimatları 000 ile başlar, tüm Mağaza talimatları 010 ile başlar, sıfır sayfa adresleme kullanan tüm talimatlar xxxx01xx biçimindedir. Tabii ki, bazı talimatlar "uygun" görünmüyor, çünkü amaç tamamen düzenli bir opcode formatına sahip olmak değil, güçlü bir talimat seti sağlamaktır. İşte bu yüzden "rastgele kontrol mantığı" gerekliydi.

Yukarıda bahsettiğim sayfa, ROM'daki bazı çıktı satırlarının iki kez göründüğünü söylüyor. tekrar konum. " Mühendislerin bu kapıları teker teker çizdiklerini ve aniden tasarımda bir kusur fark ettiklerini ve tüm süreci yeniden başlatmayı önlemek için bir yol bulmaya çalıştıklarını hayal edebiliyorum.

ISA'nın yaşına bağlıdır.

El tasarımının ilk günlerinde ve daha da fazlası, CPU'lar ayrı mantıktan birleştirildiğinde, mantık tasarımı önce gelirdi ve kapsamlı bir şekilde minimize edilirdi ve daha sonra ISA bit modelleri, bunu en aza indirmek için gerekli olan her değer olurdu. mantık çalışması.

Bu nedenle, bazı çoklayıcıların ALU çıkışını GP kayıt dosyasının girişine bağlamasını sağlayan belirli bir kontrol sinyalleri paterni, ALU'ya toplama, çıkarma ve VEYA vb. adres bitlerini kayıt dosyasına kaydedin. Bu üç sinyal grubu talimat içinde alanlar oluşturacaktır. Her grup bir arada tutulacak ve ayrıntılı anlamları bu birimin (ALU vb.) Tasarımından kaynaklanacaktır, ancak talimatlar kod çözücüyü tasarlayana kadar gruplar herhangi bir sırada olabilir. (x86, doğru yere bakarsanız bunlardan bazılarını tespit edebileceğiniz kadar eski - tamamen yeni bir tasarım değildi, ancak eski 8080'den çekildi)

Daha sonra ISA'lar, bazen "mikro kod" aracılığıyla aralarında gerçek donanım seviyesi kontrol sinyalleri arasında çeviri yapacak donanım ile "temizlenebilir" ve kullanımı daha düzenli ve basit hale getirilebilir. Bunlara "CISC" veya "Karmaşık Komut Seti Kodlaması" denir. X86 "Rep" komut öneki bunun basit bir örneğidir - bir FOR döngüsü yazmak zorunda kalmamak için aşağıdaki komutun birkaç kez tekrarlanmasına neden olur.

Daha sonra (1980'lerde) ARM işlemcilerinde görebileceğiniz daha basit bir doğrudan kodlama stiline (RISC - Azaltılmış Komut Seti Kodlama) bir hareket geldi. Bu, o sırada küçük boyutlu ASIC'ler tarafından yönlendirildi ve üzerlerine 32 bit CPU koyma arzusu, bu nedenle karmaşık komut seti kod çözücüleri için tam CPU'yu yaklaşık 20.000 kapıya düşürmek için yedek kapasite yoktu. (Geçici bir performans artışı da vardı, çünkü insanlar henüz CISC kod çözücüleri hızlı hale getirmek için teknikler geliştirmemişti - bu Pentium Pro ile yaklaşık 1995'te geldi)

Ve günümüzde önemli değil - CPU'lar bir kerede birkaç talimat okuyor ve milyonlarca transistörü kod çözmeye, yeniden sipariş vermeye ve aynı anda mümkün olan en fazla sayıda programı çalıştırmaya hızlandırmak için mümkün olduğunca çok çalıştırmaya ayırıyor ISA tarzı.

Benzer talimatları birlikte gruplandırırsanız, desenler ortaya çıkar. Bu, ISA kılavuzunun aslında hangi talimat kelimesinin bitinin işleve, kayıt seçimine vb. Karşılık geldiğini gösterdiği ARM'de çok açıktır. Ancak X86 için de çıkarılabilir .

Sonuçta, opkodların "fonksiyon" kısmı, belirli bir fonksiyonu veya boru hatlı operasyon dizisini aktive eden bir ikili-bir-sıcak dekodere girer. Kod çözülmesi için bir durum makinesi gerektiren değişken uzunluktaki talimatları düşünmüyorsak, genellikle herhangi bir durum makinesinin içeriği ile ilgili değildir.

Bir noktada biri oturdu ve onları tanımladı.

İyi bir ISA, kod çözücüyü mümkün olduğunca basit hale getirecektir.

Örneğin bir ALU komutuyla, opcodeun bazı bitlerinin doğrudan ALU'nun kontrol hatlarına gönderilmesine izin verebilirsiniz.

Genellikle, ISA'nızı işlevsel gruplara bölerdiniz. Tamamlayıcı çiftlerin tek bir bit değişikliği (mağazaya karşı yükleme) ile ayırt edilmesi ve kod çözme karar ağacını etkileyen bazı bit hiyerarşisine sahip olmanız mantıklıdır (mantık optimizasyonu veya sadece düzenli olmak için).

Günün sonunda, fonksiyon bloğu için keyfi bir bit tahsisi ('veri' alanlarını talimatlara yerleştirmenin aksine, genel tasarım verimliliğiniz üzerinde sadece küçük bir etkisi olacaktır - ancak nasıl yapılacağına dair birçok seçeneğiniz vardır. Önemli bir parametre olduğunu düşündüğünüz şeye bağlı olarak ISA kodlamanızı 'optimize edin'.

Talimat kodlaması çirkin bir uzlaşmadır.

Kod çözmeyi basitleştirmek için, bunun için her biri ayrı olarak kodu çözülebilen ve yürütme motorunun ayrı bir bölümüne yönlendirilebilen basit bir alan kümesi istersiniz.

Sınırlı bir talimat kelimesi içine mümkün olduğunca çok işlevsellik paketleme. Bu, çeşitli ortak sayıları kodlayabilen özel sabit formatlar gibi şeylere yol açar.

İleri ve geri uyumluluk. Mümkün olan her opcode'a işlevsellik atarsanız, kendinize mimariyi daha sonra genişletmek için yer kalmaz. Mevcut bir mimariye ekliyorsanız, yeni talimatlarınızı yedek opcode yerleştirmeniz gerekir.

Randy Hyde'in mükemmel (biraz tarihli) Meclis Sanatı, 3.3.4 Kontrol Ünitesi ve Komut Setleri ve izleyen bölümlerde ayrıntılı olarak açıklanan x86 yönergesine girer .

Erken (Von Neumann öncesi) bilgisayar sistemlerindeki programlar genellikle devrelere "kabloyla bağlanmıştır". Yani, bilgisayarın kablolaması bilgisayarın hangi sorunu çözeceğini belirledi. Programı değiştirmek için devreyi yeniden bağlamak zorunda kaldı. Çok zor bir iş. Bilgisayar tasarımındaki bir sonraki ilerleme, bir bilgisayar programcısının bir dizi soket ve fiş kablosu kullanarak bilgisayar sistemini kolayca "yeniden sarmasına" izin veren programlanabilir bilgisayar sistemiydi. Bir bilgisayar programı, her biri programın yürütülmesi sırasında bir işlemi temsil eden bir dizi delik sırasından (soketler) oluşur. Programcı, istenen talimat için belirli sokete bir kablo takarak çeşitli talimatlardan birini seçebilir.

Daha sonra oldukça akılda kalıcı ve ilk iki fişin talimat için nasıl durduğunu gösterir, bir sonraki fişler kaynak ve hedefi kodlar. Tabii ki, bugün artık kimse "fişe takmıyor", ama gerçekten eski ISA'lar için, opcode'daki bitler temelde daha önce fişlerle aynı işi yapıyor.

Böyle bir şeyle sonuçlanırsınız: