Язык машинных команд

Теперь познакомимся еще с одним принципом архитектуры ЭВМ, предложенным фон Нейманом. Он называется принципом хранимой программы.

Наряду с данными в оперативную память компьютера помещается программа управления его работой.

Компьютер является исполнителем программ и, следовательно, обладает своей системой команд (СКИ).

Команды управления работой компьютера принято называть машинными командами.

какую операцию выполнить;
где находятся операнды;
куда поместить результат операции;
какую команду выполнять следующей.

Компьютеры разных типов имеют разную структуру команд.

Всякая машинная команда состоит из кода операции и адресной части.

В «УК Нейман» машинные команды имеют трехадресную структуру (формат). Это значит, что ячейка, в кото-рой хранится команда, делится на четыре части (по одному байту на каждую часть). Будем их обозначать следующим образом:
КОП — код операции,
А1 — адрес первого операнда,
А2 — адрес второго операнда,
A3 — адрес результата.

КОП

А1

А2

Операндами называют данные, над которыми производится операция. В арифметических операциях это слагаемые, сомножители, уменьшаемое и вычитаемое, делимое и делитель.

Вот пример команды сложения двух чисел (в шестнадцатеричной форме):

КОП	А1	А2	A3
01	44	48	4С

01 — это код операции сложения;

44 — адрес первого слагаемого;

48 — адрес второго слагаемого;

4С — адрес ячейки, в которую помещается сумма.

Для всех арифметических операций ответ на вопрос: «Какую команду выполнять следующей?» всегда одинаковый: следующей выполняется команда, находящаяся в следующей ячейке памяти.

Записывать команды на бумаге удобнее в шестнадцатеричной форме. В памяти ЭВМ команда имеет двоичный вид. Используя двоично-шестнадцатеричную таблицу, легко получить внутреннее представление приведенной выше команды:

КОП А1 А2 A3

00000001 01000100 01001000 01001100

В ТАБЛИЦЕ 2 содержится система команд «УК Нейман».

ТАБЛИЦА 2. Система команд «УК Нейман»:

КОП	Операция	Пояснение
00	Пересылка	(А1)=>АЗ
01	Сложение	(А1) + (А2)=>АЗ
02	Вычитание	(А1)-(А2)=>АЗ
03	Умножение	(А1)*А2)=>АЗ
77	Останов	Прекращение выполнения программы программы

Запись (А1) + (А2) => A3 надо понимать так: содержимое ячейки с адресом А1 сложить с содержимым ячейки с адресом А2 и результат записать в ячейку A3;
(А1)=> A3 — содержимое ячейки А1 занести (скопировать) в ячейку A3.

Совокупность правил записи программ управления компьютером с использованием машинных команд называется машинным языком (или языком машинных команд).

Рассмотрим пример небольшой программы на машинном языке. Пусть, например, требуется вычислить выражение

(А + В)*С.

Каждое число, участвующее в расчетах, занимает ячейку памяти. Программист должен сам распределять память под данные. Под величины А, В, С выделим следующие ячейки памяти:

(20) = А, (24) = В, (28) = С.

Результат вычисления выражения поместим в ячейку 2С. Команды программы тоже помещаются в определенные ячейки. Вот фрагмент программы, решающей нашу задачу:

Адрес	КОП	А1	А2	A3	Пояснение
ОС	01	20	24	2С	(20)+(24) => 2С А+В
10	03	2С	28	2С	(2С)х(28)=>2С (А+В)*С

В графе «Адрес» указываются номера ячеек, в которых располагаются команды. Команды этой программы выполняются в «естественном порядке» возрастания адресов ячеек: сначала ОС, затем 10 (еще раз напомним, что адреса ячеек меняются с шагом 4).

Занесение значения в ячейку памяти называется присваиванием.

В результате присваивания старое значение, которое хранилось в этой ячейке, стирается и заменяется на новое.

Если ячейке ничего не присвоено, то ее значение является неопределенным.

Ячейке 2С значение присваивается дважды: сначала результат суммирования, затем — умножения. Первый результат — промежуточный, второй — окончательный.

Однако приведенная программа не может быть исполнена. Во-первых, не определены значения исходных данных А, В, С. Во-вторых, пользователь не сможет узнать результаты вычислений, поскольку они останутся внутри памяти, в ячейке 2С, а в нее не заглянешь.

Исходные данные должны задаваться вводом.

Ввод — это процесс занесения данных в оперативную память с помощью устройств ввода.

Результаты вычислений должны быть выведены.

Вывод — это отражение информации в оперативной памяти на устройствах вывода.

Вывод делает результаты выполнения программы доступными для пользователя.

Устройством ввода на «УК Нейман» является клавиатура. Устройством вывода — экран.

В «УК Нейман» ввод и вывод организованы следующим образом: с клавиатурой и экраном связана последняя ячейка памяти — ячейка FC. Будем называть ее буферной ячейкой ввода-вывода.

При вводе набираемое на клавиатуре значение попадает в ячейку FC. На экране постоянно отражается содержимое ячейки FC в шестнадцатеричном виде. Поэтому для вывода значения из любой ячейки памяти его надо переслать в буферную ячейку FC.

Из ТАБЛИЦЫ 2 следует, что команда пересылки имеет вид:

А1

В этой команде содержимое адреса А2 не влияет на ее исполнение (в дальнейшем на месте А2 будем писать нули). В результате выполнения команды пересылки значение в ячейке A3 становится равным (А1). При этом значение ячейки А1 не меняется. Иначе это называется так: ячейке A3 присваивается значение ячейки А1.

Поясним на примере.

Пусть в 10-й ячейке находится число 5, а в 20-й ячейке число 7:

После выполнения команды

00 10 00 20

их значения станут одинаковыми:

В рассмотренной выше задаче вычисления (А + В) * Сна экран нужно вывести результат, полученный в ячейке 2С. Для этого его следует присвоить ячейке FC. Значит, команда вывода будет такой:

00 2С 00 FC.

Как запрограммировать ввод значения А в ячейку 20? Делается это так:

00 FC 00 20.

Процессор, обнаружив команду, у которой КОП=00 и A1=FC, прерывает работу и ждет действий пользователя. Пользователь набирает на клавиатуре вводимое число. Это число заносится в ячейку FC и одновременно высвечивается на экране. Затем пользователь нажимает клавишу <ВВОД>. Процессор выполняет команду пересылки из ячейки FC в ячейку 20. Ввод завершился, процессор переходит к выполнению следующей команды.

Запишем команды ввода и вывода в общем виде:

00 FC 00 A3 — ввод числа в ячейку

A3 00 А1 00 FC — вывод числа из ячейки А1

А теперь запишем программу вычисления выражения (А+В) * С в окончательном виде. Договоримся, что любая программа будет располагаться в начале памяти. Первая команда всегда находится в ячейке 00.

ПРОГРАММА 1:

Адрес	КОП	А1	А2	A3	Пояснения
00	00	FC	00	20	ввод А
04	00	FC	00	24 в	ввод В
08	00	FC	00	28	ввод С
ОС	01	20	24	2С	А+В
10	03	2С	28	2С	(А+В)*С
14	00	2С	00	FC	вывод результата
18	77	00	00	00	стоп

В ячейке 18 находится команда останова с кодом операции 77. Результат ее выполнения — остановка работы машины. Содержимое адресной части в этой команде не имеет значения.

Коротко о главном

Программа, управляющая работой компьютера, помещается в его оперативную память.

В машинной команде заключена следующая информация: какая выполняется операция, где хранятся операнды, куда поместить результат, какую команду выполнять следующей (если нет указания, то следующей выполняется команда, расположенная в следующей ячейке).

Машинная команда состоит из кода операции (КОП) и адресной части.

«УК Нейман»имеет трехадресную структуру команды: КОП A1 A2 A3.

Для арифметических операций А1 и А2 — адреса операндов, A3 — адрес результата.

Исходные данные вводятся в память по команде ввода, результаты выводятся по команде вывода.

Вопросы и задания

В чем состоит принцип хранимой программы?
Что такое машинный язык?
Что такое машинная команда? Какая информация содержится в ней?
Из каких частей состоит машинная команда?
Почему структура команд «УК Нейман» называется трехадресной? Каково назначение каждого адреса в арифметической команде?
Что называется присваиванием? Что происходит с содержимым ячейки при присваивании ей нового значения?
Что такое ввод и вывод? По какой команде в «УК Нейман» происходит ввод и по какой команде — вывод?
Какое действие определяет следующая команда на машинном языке «УК Нейман»:
02 20 24 28?