Các opcodes của họ --- Họ đến từ đâu?

Khi các kỹ sư đang thiết kế một kiến ​​trúc tập lệnh, theo thủ tục hoặc giao thức nào, nếu có, họ sẽ làm theo khi chỉ định một số mã nhị phân nhất định làm hướng dẫn. Ví dụ, nếu tôi có một ISA nói 10110 là một lệnh tải, thì số nhị phân đó đến từ đâu? Có phải nó được mô hình hóa từ một bảng trạng thái cho một máy trạng thái hữu hạn đại diện cho một hoạt động tải?

Chỉnh sửa: Sau khi thực hiện nhiều nghiên cứu hơn, tôi tin rằng những gì tôi đang cố gắng quan tâm làm thế nào các opcode cho các hướng dẫn CPU khác nhau được chỉ định. ADD có thể được chỉ định với opcode là 10011; một lệnh tải có thể được chỉ định là 10110. Quá trình suy nghĩ nào được đưa vào để gán các mã nhị phân này cho tập lệnh?

Trong rất nhiều trường hợp, sự lựa chọn khá tùy tiện hoặc dựa trên "bất cứ nơi nào phù hợp nhất" khi ISAs phát triển theo thời gian. Tuy nhiên, MOS 6502 là một ví dụ tuyệt vời về một con chip trong đó thiết kế của ISA bị ảnh hưởng nặng nề bằng cách cố gắng nén càng nhiều càng tốt ra khỏi các bóng bán dẫn hạn chế.

Xem video này giải thích cách 6502 được thiết kế ngược , đặc biệt là từ 34:20 trở đi.

6502 là bộ vi xử lý 8 bit được giới thiệu vào năm 1975. Mặc dù nó có cổng ít hơn 60% so với Z80 nhưng nó nhanh gấp đôi và mặc dù nó bị hạn chế hơn (về mặt đăng ký, v.v.), nhưng nó đã bù lại bằng một bộ hướng dẫn thanh lịch.

Nó chỉ chứa 3510 bóng bán dẫn, được rút ra bằng tay , bởi một nhóm nhỏ người đang bò trên một số tấm nhựa lớn sau đó được thu nhỏ về mặt quang học, tạo thành các lớp khác nhau của 6502.

Như bạn có thể thấy bên dưới, 6502 chuyển opcode hướng dẫn và dữ liệu thời gian vào ROM giải mã, sau đó chuyển nó thành một thành phần "logic điều khiển ngẫu nhiên" có mục đích có thể ghi đè đầu ra của ROM trong một số tình huống phức tạp.

Vào lúc 37:00 trong video, bạn có thể thấy một bảng ROM giải mã cho biết những điều kiện đầu vào phải đáp ứng để có "1" cho đầu ra điều khiển nhất định. Bạn cũng có thể tìm thấy nó trên trang này .

Bạn có thể thấy rằng hầu hết những thứ trong bảng này đều có X ở các vị trí khác nhau. Hãy lấy ví dụ

011XXXXX 2 X RORRORA

Điều này có nghĩa là 3 bit đầu tiên của opcode phải là 011 và G phải là 2; không có gì khác Nếu vậy, đầu ra có tên RORRORA sẽ thành sự thật. Tất cả các mã ROR bắt đầu bằng 011; nhưng có những hướng dẫn khác cũng bắt đầu bằng 011. Chúng có thể cần được lọc ra bởi đơn vị "logic điều khiển ngẫu nhiên".

Vì vậy, về cơ bản, opcodes đã được chọn sao cho các hướng dẫn cần thực hiện tương tự như nhau có điểm chung trên mẫu bit của chúng. Bạn có thể thấy điều này bằng cách nhìn vào một bảng opcode ; tất cả các hướng dẫn OR bắt đầu bằng 000, tất cả các hướng dẫn Store bắt đầu bằng 010, tất cả các hướng dẫn sử dụng địa chỉ trang không đều có dạng xxxx01xx. Tất nhiên, một số hướng dẫn dường như không "phù hợp", vì mục đích không phải là định dạng opcode hoàn toàn thông thường mà là cung cấp một bộ hướng dẫn mạnh mẽ. Và đây là lý do tại sao "logic điều khiển ngẫu nhiên" là cần thiết.

Trang tôi đã đề cập ở trên nói rằng một số dòng đầu ra trong ROM xuất hiện hai lần, "Chúng tôi cho rằng điều này đã được thực hiện vì chúng không có cách định tuyến đầu ra của một số dòng mà chúng muốn, vì vậy chúng đặt cùng một dòng ở một dòng khác vị trí một lần nữa. " Tôi chỉ có thể tưởng tượng các kỹ sư vẽ tay từng cánh cổng một và đột nhiên nhận ra một lỗ hổng trong thiết kế và cố gắng đưa ra một cách để tránh bắt đầu lại toàn bộ quá trình.

Nó phụ thuộc vào độ tuổi của ISA.

Trong những ngày đầu của thiết kế tay, và thậm chí còn hơn thế khi các CPU được lắp ráp từ logic rời rạc, thiết kế logic sẽ xuất hiện trước và được giảm thiểu rộng rãi, và sau đó các mẫu bit của ISA sẽ là bất kỳ giá trị nào được yêu cầu để làm cho tối thiểu công việc logic.

Vì vậy, có thể có một mẫu tín hiệu điều khiển cụ thể cho phép một số bộ ghép kênh kết nối đầu ra ALU với đầu vào của tệp thanh ghi GP, một vài tín hiệu điều khiển khác hướng dẫn ALU thêm, trừ, AND, OR, v.v. địa chỉ bit vào tập tin đăng ký. Ba nhóm tín hiệu này sẽ tạo thành các trường trong hướng dẫn. Mỗi nhóm sẽ được giữ cùng nhau và ý nghĩa chi tiết của chúng phát sinh từ thiết kế cho đơn vị đó (ALU, v.v.) nhưng các nhóm có thể theo bất kỳ thứ tự nào, cho đến khi bạn thiết kế bộ giải mã lệnh. (x86 đủ cũ để bạn có thể phát hiện một số thứ này nếu bạn nhìn đúng chỗ - đó không phải là một thiết kế hoàn toàn mới, nhưng được vẽ từ 8080 cũ hơn)

Các ISA sau này có thể được "dọn dẹp" và sử dụng thường xuyên và đơn giản hơn, với phần cứng để dịch giữa chúng và các tín hiệu điều khiển mức phần cứng thực tế, đôi khi thông qua "microcode". Chúng được gọi là "CISC" hoặc "Mã hóa tập lệnh phức tạp". Tiền tố lệnh "Rep" x86 là một ví dụ đơn giản về điều này - nó khiến cho lệnh sau được lặp lại một số lần, để tiết kiệm việc phải viết một vòng lặp FOR.

Sau đó (vào những năm 1980) đã chuyển sang một kiểu mã hóa trực tiếp đơn giản hơn (RISC - Mã hóa tập lệnh giảm) mà bạn có thể thấy trong các bộ xử lý ARM. Điều này được thúc đẩy bởi kích thước nhỏ của ASIC vào thời điểm đó và mong muốn đặt CPU 32 bit cho chúng, do đó không có dung lượng dự phòng cho bộ giải mã tập lệnh phức tạp, để đưa CPU hoàn chỉnh xuống còn khoảng 20.000 cổng. (Cũng có một sự gia tăng hiệu suất tạm thời, bởi vì mọi người chưa phát triển các kỹ thuật để làm cho bộ giải mã CISC nhanh chóng - đó là vào năm 1995 với Pentium Pro)

Và ngày nay điều đó không thành vấn đề - CPU đọc một số hướng dẫn cùng một lúc và dành hàng triệu bóng bán dẫn để giải mã chúng, sắp xếp lại chúng và thực hiện càng nhiều càng tốt, để tăng tốc các chương trình có thể được viết cho lâu đời nhất phong cách của ISA.

Nếu bạn nhóm các hướng dẫn tương tự lại với nhau, các mẫu sẽ xuất hiện. Điều này rất rõ ràng trong ARM, trong đó hướng dẫn sử dụng ISA thực sự cho bạn thấy bit nào của từ lệnh tương ứng với chức năng, lựa chọn đăng ký, v.v. Nhưng nó cũng có thể được suy ra cho X86 .

Cuối cùng, phần "chức năng" của opcodes đi vào một số bộ giải mã nhị phân-to-one thực sự kích hoạt một chức năng cụ thể hoặc chuỗi các hoạt động đường ống. Chúng thường không liên quan đến nội dung của bất kỳ máy trạng thái nào, trừ khi chúng tôi đang xem xét các hướng dẫn có độ dài thay đổi yêu cầu máy trạng thái để giải mã.

Ai đó tại một số điểm ngồi xuống và xác định chúng.

Một ISA tốt sẽ làm cho bộ giải mã đơn giản nhất có thể.

Ví dụ, với lệnh ALU, bạn có thể để một số bit của opcode được gửi trực tiếp vào các dòng điều khiển của ALU.

Thông thường, bạn sẽ chia ISA của bạn thành các nhóm chức năng. Điều này có ý nghĩa (để tối ưu hóa logic hoặc chỉ gọn gàng) rằng các cặp miễn phí được phân biệt bằng một thay đổi bit duy nhất (tải so với lưu trữ) và rằng bạn có một số phân cấp các bit ảnh hưởng đến cây quyết định giải mã.

Vào cuối ngày, việc phân bổ bit tùy ý cho khối chức năng (trái ngược với việc đặt các trường 'dữ liệu' trong hướng dẫn sẽ chỉ có tác động nhỏ đến hiệu quả thiết kế chung của bạn - nhưng bạn có nhiều lựa chọn về cách 'Tối ưu hóa' mã hóa ISA của bạn tùy thuộc vào những gì bạn cảm thấy là một tham số quan trọng.

Mã hóa hướng dẫn là một sự thỏa hiệp xấu xí giữa.

Làm cho việc giải mã trở nên đơn giản, vì điều này bạn muốn có một tập hợp các trường đơn giản, mỗi trường có thể được giải mã riêng biệt và được chuyển đến một phần riêng biệt của công cụ thực thi.

Đóng gói càng nhiều chức năng càng tốt vào một kích thước giới hạn của từ hướng dẫn. Điều này dẫn đến những thứ như các định dạng không đổi đặc biệt có thể mã hóa nhiều loại số phổ biến.

Tương thích tiến và lùi. Nếu bạn gán chức năng cho mọi opcode có thể, bạn sẽ không có chỗ để mở rộng kiến ​​trúc sau này. Nếu bạn đang thêm vào một kiến ​​trúc hiện có, bạn phải đưa các hướng dẫn mới của mình vào các opcodes dự phòng.

Sự xuất sắc của Randy Hyde (nếu có ngày tháng) Nghệ thuật lắp ráp đi vào tập lệnh x86 một số chi tiết trong chương 3.3.4 Bộ điều khiển và Bộ hướng dẫn và sau đây.

Các chương trình trong các hệ thống máy tính đầu tiên (tiền Von Neumann) thường được "kết nối cứng" vào mạch điện. Đó là, hệ thống dây điện của máy tính đã xác định vấn đề nào máy tính sẽ giải quyết. Người ta phải tua lại mạch điện để thay đổi chương trình. Một nhiệm vụ rất khó khăn. Bước tiến tiếp theo trong thiết kế máy tính là hệ thống máy tính có thể lập trình, một hệ thống cho phép lập trình viên máy tính dễ dàng "tua lại" hệ thống máy tính bằng cách sử dụng một chuỗi các ổ cắm và dây cắm. Một chương trình máy tính bao gồm một tập hợp các hàng lỗ (ổ cắm), mỗi hàng đại diện cho một thao tác trong quá trình thực thi chương trình. Lập trình viên có thể chọn một trong một số hướng dẫn bằng cách cắm dây vào ổ cắm cụ thể cho hướng dẫn mong muốn.

Sau đó, anh ta chứng minh khá hấp dẫn và về chiều dài, đôi phích cắm đầu tiên đại diện cho hướng dẫn, các phích cắm tiếp theo mã hóa nguồn và đích. Tất nhiên, ngày nay không còn ai "cắm" nữa, nhưng đối với các ISA thực sự cũ, các bit trong opcode về cơ bản thực hiện công việc tương tự như các lần cắm trước đó.

Bạn kết thúc với một cái gì đó như thế này: