Система команд исполнителя: ключевые понятия и особенности реализации

Что такое система команд исполнителя. Какие основные элементы входят в систему команд. Как реализуется система команд в современных процессорах. Какие преимущества дает оптимизация системы команд.

Что такое система команд исполнителя и для чего она нужна

Система команд исполнителя — это набор команд, которые может выполнять конкретный исполнитель (компьютер, робот, человек и т.д.). Она определяет функциональные возможности исполнителя и является ключевым элементом любой вычислительной системы. Основные функции системы команд:

• Определяет допустимые операции, которые может выполнять исполнитель
• Задает формат и структуру команд
• Определяет способы адресации данных
• Влияет на архитектуру и производительность вычислительной системы

Грамотно спроектированная система команд позволяет эффективно решать целевые задачи при минимальных аппаратных затратах. Поэтому оптимизация системы команд является важным этапом разработки любого процессора или вычислительного устройства.

Основные элементы системы команд процессора

В систему команд современного процессора обычно входят следующие ключевые элементы:

• Набор машинных инструкций (команд)
• Форматы команд
• Способы адресации операндов
• Типы данных
• Регистры процессора
• Режимы работы процессора

Рассмотрим подробнее некоторые из этих элементов.

Набор машинных инструкций

Это основной компонент системы команд, определяющий доступные операции. Типичный набор включает:

• Команды пересылки данных
• Арифметические и логические команды
• Команды переходов и ветвлений
• Команды работы со стеком
• Команды ввода-вывода

Количество команд может варьироваться от нескольких десятков до нескольких сотен в современных процессорах.

Форматы команд

Определяют структуру машинных инструкций. Основные поля формата команды:

• Код операции
• Адреса операндов
• Режимы адресации
• Модификаторы команды

Длина команды может быть фиксированной или переменной. Оптимизация форматов позволяет сократить длину кода программ.

Способы оптимизации системы команд

Существует несколько подходов к оптимизации системы команд процессора:

1. Статистический анализ использования команд в программах
2. Сокращение избыточности кодирования команд
3. Использование микроинструкций
4. Ортогональность системы команд
5. Оптимизация способов адресации

Рассмотрим некоторые из этих подходов подробнее.

Статистический анализ использования команд

Этот подход основан на исследовании частоты использования различных команд в реальных программах. Например, по данным компании DEC, в программах для ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто (около 32%) встречалась команда передачи данных MOV. Зная статистику использования, можно оптимизировать систему команд, уделяя больше внимания часто используемым инструкциям.

Сокращение избыточности кодирования

Этот метод направлен на максимально эффективное использование битов в коде команды. Например, можно использовать переменную длину поля кода операции для разных групп команд. Часто используемые команды получают более короткие коды. Это позволяет сократить среднюю длину команд и размер программ.

Реализация системы команд в современных процессорах

В современных процессорах применяются различные подходы к реализации системы команд:

• CISC (Complex Instruction Set Computing) — система команд со сложными инструкциями
• RISC (Reduced Instruction Set Computing) — система команд с сокращенным набором инструкций
• VLIW (Very Long Instruction Word) — система команд со сверхдлинным командным словом

Каждый из этих подходов имеет свои преимущества и недостатки.

Архитектура CISC

Особенности CISC-архитектуры:

• Большой набор сложных команд (несколько сотен)
• Команды имеют переменную длину и время выполнения
• Поддержка сложных режимов адресации
• Ориентация на компактный машинный код

Преимущества: компактность кода, удобство программирования на ассемблере. Недостатки: сложность реализации, трудности с конвейеризацией.

Архитектура RISC

Ключевые идеи RISC:

• Небольшой набор простых команд фиксированной длины
• Выполнение большинства операций за один такт
• Упор на работу с регистрами
• Простые способы адресации

Преимущества: простота реализации, эффективная конвейеризация. Недостатки: увеличение размера кода программ.

Влияние системы команд на производительность процессора

Система команд оказывает существенное влияние на производительность процессора:

• Определяет сложность логики управления
• Влияет на возможности оптимизации конвейера команд
• Определяет эффективность использования кэш-памяти
• Влияет на плотность кода программ

Оптимальная система команд позволяет достичь максимальной производительности при заданных аппаратных ресурсах. Поэтому разработка эффективной системы команд остается важной задачей при проектировании современных процессоров.

Тенденции развития систем команд

В развитии систем команд современных процессоров можно выделить следующие тенденции:

• Расширение набора команд для поддержки новых приложений (мультимедиа, криптография и т.д.)
• Добавление векторных команд для параллельной обработки данных
• Реализация режимов энергосбережения
• Поддержка виртуализации на уровне команд
• Повышение безопасности (например, защита от атак по сторонним каналам)

Современные процессоры часто сочетают черты CISC и RISC архитектур, что позволяет объединить их преимущества. Например, сложные CISC команды могут динамически транслироваться в последовательность простых RISC инструкций.

Заключение

Система команд является ключевым элементом архитектуры любого процессора. Она определяет функциональные возможности и производительность вычислительной системы. Оптимизация системы команд позволяет повысить эффективность процессора при решении целевых задач.

Основные направления оптимизации включают статистический анализ использования команд, сокращение избыточности кодирования, применение микропрограммного управления. Важно обеспечить баланс между функциональностью, производительностью и сложностью реализации.

Развитие систем команд продолжается, появляются новые расширения для поддержки современных приложений. При этом сохраняется совместимость с существующим программным обеспечением. Грамотно спроектированная система команд остается важным конкурентным преимуществом современных процессоров.

Алгоритм и исполнитель. Система команд исполнителя.

В этом уроке разберём некоторые теоретические понятия, которые формализуют понятие программирования. Заодно точнее сформулируем основную задачу вашего обучения.

Для начала предлагаю вам немного поиграться со следующей детской игрушкой. Пройдите первые пять заданий, возвращайтесь назад и продолжайте чтение урока.

Рис.1 Скриншот игрового поля на code.org

Надеюсь, у вас всё получилось. Теперь на этом примере опишем несколько основных понятий:

• исполнитель;
• система команд исполнителя;
• алгоритм.

В игрушке мы управляем красной птичкой. Задача каждого этапа: добраться птичкой до свиньи. Птичка умеет выполнять определённые команды, например: переместить вперёд, повернуть налево, повернуть направо и др.

Человек, машина или устройство, которые умеют выполнять некоторые команды, называется исполнителем. В этой игрушке, очевидно, исполнитель – птичка.

Набор команд, которые понимает и умеет выполнять исполнитель, называют системой команд исполнителя.

Последовательность команд, которую должен выполнить исполнитель для решения задачи, называется алгоритмом.

Необходимо заострить внимание на нескольких моментах.

Важно!

Исполнитель может выполнять только те команды, которые входят в его систему команд.

Это означает, например, что нельзя написать исполнителю-птичке: «Иди к свинье!». Точнее записать можно, но только ничего не произойдёт, т.к. исполнитель таких команд не знает.

Имеющиеся команды вы можете записывать в любом порядке, который посчитаете правильным. Ваша задача как программиста – разделить большую сложную задачу на маленькие отдельные шаги, каждый из которых будет понятен исполнителю. Снова работает принцип «разделяй и властвуй».

Важно!

Исполнитель выполняет точно то, что предписывает ему алгоритм.

Исполнитель-птичка очень доверчивая. Она не подвергает сомнению то, что вы пишете в программе. Если, например, вы забудете развернуть птичку, то она врежется в стенку. Поэтому вы должны следить за всем самостоятельно.

Ваши будущие программы часто будут работать не так, как вы задумывали. Ошибки случаются у всех. Тут важно понимать, что это не компьютер дурак, а вы допустили ошибку в алгоритме. Не уподобляйтесь плохим программистам, у которых во всём всегда виновата программа.

Теперь от наглядного примера перейдём к компьютерным реалиям. Мы пишем программы для компьютера, а значит, компьютер в нашем случае является исполнителем. Система команд – стандартные функции и конструкции языка Си.

В чём состоит основная задача вашего обучения основам программирования? Овладеть навыком алгоритмического мышления. То есть научиться записывать решение различных задач в виде алгоритма для конкретного исполнителя (в нашем случае компьютера).

Итак, подытожим:

Компьютерная программа – алгоритм решения какой-либо задачи, записанный на языке программирования.

Алгоритм – точное описание порядка действий, которые должен выполнить исполнитель для того, чтобы решить задачу.

Исполнитель – человек или некоторое устройство, которое может понимать и выполнять определённый набор команд.

Система команд исполнителя – набор команд, которые понимает и умеет выполнять исполнитель.

Основная задача данного курса – научиться записывать решение различных задач в виде алгоритмов для компьютера.

Микропроцессоры

Содержание Введение I Классификация микропроцессоров Классификация микропроцессоров II Архитектура микропроцессоров Основные характеристики Структура типового микропроцессора Логическая структура Устроиство управления Особенности программного и микропрограммного управления операциями Система команд Режимы адресации Типы архитектуры III Организация ввода/вывода в микропроцессорной системе Организация ввода/вывода в МПС Программная модель внешнего устройства Форматы передачи данных Параллельная передача данных Последовательная передача данных Синхронный последовательный интерфейс Асинхронный последовательный интерфейс Способы обмена информацией Программно-управляемый ввод/вывод Организация прерываний в микроЭВМ Организация прямого доступа к памяти IV Память микропроцессорной системы Память микропроцессорной системы Основные характеристики полупроводниковой памяти Постоянные запоминающие устройства Полевой транзистор с плавающим затвором МНОП транзистор Оперативные запоминающие устройства Статические запоминающие устройства Динамические запоминающие устройства Запоминающие устройства с произвольной выборкой Микросхемы памяти в составе микропроцессорной системы Буферная память Стековая память V Проектирование микропроцессорных систем Проектирование МПС Уровни представления микропроцессорной системы Ошибки, неисправности, дефекты Отладка Обнаружение ошибки и диагностика неисправности Функции средств отладки Этапы проектирования микропроцессорных систем Источники ошибок Проверка правильности проекта Автономная отладка микропроцессорных систем Отладка программ Комплексная отладка микропроцессорных систем Заключение Лабораторный практикум Список литературы Список вопросов

Архитектура микропроцессора Система команд Проектирование системы команд оказывает влияние на структуру ЭВМ. Оптимальную систему команд иногда определяют как совокупность команд, которая удовлетворяет требованиям проблемно-ориентированных применений таким образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных средств на реализацию редко используемых команд оказывается минимальной. В различных программах ЭВМ частота появления команд различна; например, по данным фирмы DEC в программах для ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто встречается команда передачи MOV(B), на ее долю приходится приблизительно 32% всех команд в типичных программах. Систему команд следует выбирать таким образом, чтобы затраты на редко используемые команды были минимальными. При наличии статистических данных можно разработать (выбрать) ЭВМ с эффективной системой команд. Одним из подходов к достижению данной цели является разработка команд длиной в одно слово и кодирование их таким образом, чтобы разряды таких коротких команд использовать оптимально, что позволит сократить время реализации программы и ее длину. Другим подходом к оптимизации системы команд является использование микроинструкций. В этом случае отдельные биты или группы бит команды используются для кодирования нескольких элементарных операций, которые выполняются в одном командном цикле. Эти элементарные операции не требуют обращения к памяти, а последовательность их реализации определяется аппаратной логикой. Сокращение времени выполнения программ и емкости памяти достигается за счет увеличения сложности логики управления. Важной характеристикой команды является ее формат, определяющий структурные элементы команды, каждый из которых интерпретируется определенные образом при ее выполнении. Среди таких элементов (полей) команды выделяют следующие: код операции, определяющий выполняемое действие; адрес ячейки памяти, регистра процессора, внешнего устройства; режим адресации; операнд при использовании непосредственной адресации; код анализируемых признаков для команд условного перехода. Классификация команд по основным признакам представлена на рис. 2.4. Важнейшим структурным элементом формата любой команды является код операции (КОП), определяющей действие, которое должно быть выполнено. Большое число КОП в процессоре очень важно, так как аппаратная реализация команд экономит память и время. Но при выборе ЭВМ необходимо концентрировать внимание на полноте операций с конкретными типами данных, а не только на числе команд, на доступных режимах адресации. Число бит, отводимое под КОП, является функцией полного набора реализуемых команд. Рис. 2.4. Классификация команд. При использовании фиксированного числа бит под КОП для кодирования всех m команд необходимо в поле КОП выделить двоичных разрядов. Однако, учитывая ограниченную длину слова мини- и микроЭВМ, различное функциональное назначение команд, источники и приемники результатов операций, а также то, что не все команды содержат адресную часть для обращения к памяти и периферийным устройствам, в малых ЭВМ для кодирования команд широко используется принцип кодирования с переменным числом бит под поле КОП для различных групп команд. В некоторых командах необходим только один операнд и они называются однооперандными (или одноадресными) командами в отличие от двухоперандных (или двухадресных), в которых требуются два операнда. При наличии двух операндов командой обычно изменяется только один из них. Так как информация берется только из одной ячейки, эту ячейку называются источником; ячейка, содержимое которой изменяется, называется приемником. Ниже приведен формат двухадресной (двухоперандной) команды процессоров СМ. Формат команд процессоров СМ: а) двухадресная команда; б) одноадресная команда. Примеры кодирования двухадресных команд в процессорах СМ КОП Мнемоника команды Комментарий 0001 0010 0110 1110 MOV CMP ADD SUB Передача данных Сравнение Сложение Вычитание 0000 1000 — — Кодирование группы одноадресных команд Четырехбитный КОП (биты 15-12) кодирует ряд двухоперандных операций, приведенных в таблице 1. Биты (11-6) и (5-0) для команд данного типа определяют адреса источника и приемника данных. Как видно из таблицы, комбинации 0000 и 1000 поля КОП определяют группы одноадресных команд (рис 1,б). КОП 1 (биты 15-12), соответствующий кодам 0000 и 1000, определяет группу одноадресных команд, а КОП 2 (биты 11-6) кодирует конкретную операцию команд данной группы. Таким образом, команды, использующие один операнд, кодируются 10-битным КОП (биты 15-6). Наиболее гибкая команда требует до четырех операндов. Например, команда сложения может указывать адреса слагаемых, адрес результата и адрес следующей команды. Если для задания адреса требуется 16 бит, то четырехоперандная команда займет 8 байт памяти, не учитывая код операции. Следовательно, получится медленнодействующая ЭВМ с огромной памятью. Поэтому в большинстве микроЭВМ любой команде требуется не более двух операндов. Это достигается следующими приемами: 1. Адрес следующей команды указывается только в командах переходов; в остальных случаях очередная команда выбирается из ячеек памяти, следующих за выполненной командой. 2. Использование ячейки, в которой находится один из операндов, для запоминания результата (например, сумма запоминается в ячейки первого операнда). Локализацию и обращение к операндам обеспечивают режимы адресации. При введении нескольких режимов адресации необходимо отвести в команде биты, указывающие режимы адресации для каждого операнда. Если предусмотрено восемь режимов адресации, то для задания каждого из них нужно три бита. Почти во всех форматах команд первые биты отводятся для кода операции, но далее форматы команд разных ЭВМ сильно отличаются друг от друга. Остальные биты должны определять операнды или их адреса, и поэтому они используются для комбинации режимов, адресов регистров, адресов памяти, относительных адресов и непосредственных операндов. Обычно длина команды варьируется от 1 до 3 и даже 6 байт. По форматам команд можно судить о возможностях ЭВМ. <<< Содержание >>>

Определение, принцип работы и характеристики

Что такое командная экономика?

Командная экономика является ключевым аспектом политической системы, в которой центральная государственная власть диктует допустимые уровни производства и цены, которые могут взиматься за товары и услуги. Большинство отраслей находятся в государственной собственности.

Основной альтернативой командной экономике является система свободного рынка, в которой спрос диктует производство и цены.

Командная экономика является составной частью коммунистической политической системы, в то время как в капиталистических обществах существует свободная рыночная система.

Ключевые выводы

• В командной экономике центральное правительство диктует уровень производства товаров и контролирует их распределение и цены.
• Сторонники командной экономики утверждают, что государственный контроль, а не частное предпринимательство, может обеспечить справедливое распределение товаров и услуг.
• В системе свободного рынка частные предприятия устанавливают уровни производства и цен в зависимости от спроса.

Понимание командной экономики

Куба, Северная Корея и бывший Советский Союз имеют командную экономику. Китай сохранял командную экономику до 1978 года, когда начался переход к смешанной экономике, сочетающей коммунистические и капиталистические элементы. Его нынешняя система была описана как социалистическая рыночная экономика.

Командная экономика, также известная как плановая экономика, требует, чтобы центральное правительство страны владело средствами производства и контролировало их.

Частная собственность на землю и капитал отсутствует или сильно ограничена. Центральные планировщики устанавливают цены, контролируют уровень производства и ограничивают или запрещают конкуренцию в частном секторе. В чисто командной экономике нет частного сектора, поскольку центральное правительство владеет или контролирует весь бизнес.

В командной экономике правительственные чиновники устанавливают национальные экономические приоритеты, включая то, как и когда обеспечивать экономический рост, как распределять ресурсы и как распределять продукцию. Часто это принимает форму многолетнего плана.

Аргументы против командной экономики

Любой капиталист скажет, что командная экономика сталкивается как минимум с двумя основными проблемами: первая — это проблема стимулов, а вторая — информационный вакуум среди центральных плановиков, принимающих все решения.

Проблема стимулов

Проблема стимулирования начинается сверху. Политики, даже в командной экономике, слишком человечны. Группы политических интересов и борьба за власть между ними будут доминировать в принятии решений в командной экономике даже в большей степени, чем в капиталистической, потому что они не ограничены рыночными формами дисциплины, такими как суверенные кредитные рейтинги или бегство капитала.

Заработная плата устанавливается централизованно для рабочих, а прибыль исключается как стимул для управления. Нет никакой очевидной причины добиваться совершенства, повышать эффективность, контролировать затраты или прилагать усилия сверх минимума, необходимого для того, чтобы избежать официальных санкций.

Для продвижения вперед в командной экономике требуется угождать партийным боссам и иметь нужные связи, а не максимизировать акционерную стоимость или удовлетворять требования потребителей. Коррупция имеет тенденцию к распространению.

Проблема стимулов включает проблему, известную как трагедия общин, в более широком масштабе, чем это наблюдается в капиталистических обществах. Ресурсы, которыми обычно владеют, фактически бесхозяйны. У всех их пользователей (или работников) нет никаких стимулов для их сохранения. Такие вещи, как жилищные комплексы, фабрики и оборудование, быстро изнашиваются, ломаются и разваливаются в условиях командной экономики.

Информационный вакуум

Проблема экономического расчета в командной экономике впервые была описана австрийскими экономистами Людвигом фон Мизесом и Ф. А. Хайеком. Центральные планировщики должны каким-то образом рассчитать, сколько каждого продукта и услуги должно быть произведено и доставлено.

В системе свободного рынка это определяется децентрализованным образом посредством взаимодействия спроса и предложения. Потребители формируют спрос в зависимости от продуктов и услуг, которые они покупают или не покупают. Производители реагируют, создавая больше товаров и услуг, востребованных потребителями.

Кроме того, все эти факторы поддаются количественной оценке. На каждом этапе цепочки поставок кто-то ведет подсчет количества авокадо, пар синих джинсов и гаечных ключей, на которые есть спрос.

В командной экономике планировщики должны, по крайней мере на начальном этапе, иметь представление об основных жизненно важных потребностях населения в еде, одежде и жилье. Но без направляющих их сил спроса и предложения у них нет рационального метода приведения производства и распределения товаров в соответствие с желаниями и предпочтениями потребителей.

Со временем проблемы со стимулами и экономическими расчетами командной экономики означают, что ресурсы и капитальные блага тратятся впустую, а общество обеднеет.

Аргументы в пользу командной экономики

Сторонники командной экономики утверждают, что они выделяют ресурсы для максимизации общественного благосостояния, в отличие от экономики свободного рынка, где эта цель вторична по отношению к максимизации частной прибыли.

Командная экономика может лучше контролировать уровень занятости, чем экономика свободного рынка. Они могут создавать рабочие места, чтобы заставить людей работать, когда это необходимо, даже при отсутствии законной потребности.

Наконец, командная экономика считается более способной к решительным, скоординированным действиям перед лицом чрезвычайного положения или кризиса в стране, такого как война или стихийное бедствие. Хотя даже рыночные общества могут ограничивать права собственности и значительно расширять чрезвычайные полномочия своих центральных правительств во время таких событий, по крайней мере временно.

Каковы характеристики командной экономики?

Командная экономика контролируется сверху правительственными плановиками. В общем, это включает:

• Государственная собственность на основные отрасли промышленности
• Государственный контроль над уровнем производства и распределением квот
• Государственный контроль над ценами и заработной платой

Монополии распространены в командно-административной экономике, поскольку они считаются необходимыми для достижения целей национальной экономики.

Чем командная экономика отличается от экономики свободного рынка?

В условиях рыночной экономики частные предприятия определяют уровень производства в соответствии с законом спроса и предложения.

В командной экономике решение принимает правительство.

Немногие страны со свободной рыночной экономикой сегодня работают исключительно по принципу невмешательства. Правительство может использовать государственную политику и правила для поощрения производства продукта, такого как автомобили с низким расходом топлива.

И некоторые командные экономики ослабили контроль. Экономический бум Китая не начался, пока он не создал свою собственную смесь социалистической идеологии и капиталистического предприятия.

Как централизованные планы работают в командной экономике?

Коммунистические страны с административно-командной экономикой склонны внедрять многолетние планы, которые, как ожидается, приведут к улучшению условий жизни всех их жителей. В Китае было не менее 14 пятилетних планов, текущий из которых заканчивается в 2025 году.

Центральные планы обычно устанавливают цели для каждой отрасли и устанавливают стратегии для каждого сектора. От промышленности требуется участие в решении государственных задач, таких как сокращение выбросов углерода или оживление сельской экономики.

Национальная система управления инцидентами | FEMA.gov

• Английский

Национальная система управления инцидентами (NIMS) направляет все уровни правительства, неправительственных организаций и частного сектора к совместной работе по предотвращению, защите от инцидентов, смягчению их последствий, реагированию на них и восстановлению после них.

NIMS предоставляет заинтересованным сторонам во всем сообществе общий словарь, системы и процессы для успешного предоставления возможностей, описанных в Национальной системе обеспечения готовности. NIMS определяет операционные системы, которые определяют совместную работу персонала во время инцидентов.

Начало работы

Графика

Подпишитесь на наши оповещения по электронной почте , чтобы получать последние руководства, инструменты и ресурсы.

Внедрение и обучение

Местные, государственные, территориальные и племенные юрисдикции должны принять NIMS, чтобы получить федеральные гранты на обеспечение готовности. Найдите руководства и обучение, которые помогут внедрить.

Контактное лицо:

Региональные координаторы NIMS FEMA являются профильными экспертами правительств своих штатов, местных, территориальных или племенных наций. Найдите региональное контактное лицо.

Компоненты и инструменты

Инструменты доступа для поддержки компонентов NIMS, в том числе:

• Национальная квалификационная система
• Типирование ресурсов. и Engagement

  Национальный интеграционный центр регулярно публикует проекты руководств и инструментов для национального взаимодействия. Вернитесь сюда или перейдите по ссылкам в Оповещениях NIMS для получения обновлений.

  Графика

  Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) запрашивает отзывы общественности о типизированных документах по смягчению опасностей

  Национальный центр интеграции FEMA запрашивает отзывы общественности о девяти документах по типизации ресурсов по смягчению опасностей. Этот 30-дневный период национального взаимодействия завершится в 90 035  17:00. ET 16 марта .

  Последние выпуски

  Графика

  Архивирование руководства NIMS 0005: Стандарты готовности и управления инцидентами

  Этот меморандум служит публичным уведомлением о том, что Руководство NIMS 0005: Стандарты готовности и управления инцидентами от 10 января 2008 г., в котором представлен обзор стандартов, поддерживающих внедрение NIMS, не будет обновляться и архивироваться. Национальный интеграционный центр (НИЦ) не выдает заменяющий документ.