Računalniško navodilo: definicija, dolžine, vrste in arhitekture

V računalništvu je navodilo posamezna operacija procesorja, ki jo določa nabor navodil procesorja. Navodilo je osnovna enota, ki jo procesor izvede — na najpreprostejši ravni gre za ukaz, kot je na primer prenos podatkov, aritmetična operacija ali skok v programskem toku.

Dolžina navodil

Velikost ali dolžina navodil je zelo različna, od 4 bitov v nekaterih mikrokrmilnikih do več bajtov v nekaterih sistemih z zelo dolgo besedo navodil (VLIW). Večina sodobnih procesorjev, ki se uporabljajo v osebnih računalnikih, glavnih računalnikih in superračunalnikih, ima velikost navodil med 16 in 64 biti. V nekaterih arhitekturah, zlasti v računalnikih z reduciranim naborom ukazov, imajo navodila fiksno dolžino, ki običajno ustreza velikosti besede te arhitekture.

Praktični primeri: arhitektura x86 uporablja spremenljivo dolžino navodil (od 1 do 15 bajtov), medtem ko so mnoge RISC arhitekture (npr. MIPS, klasični ARM v AArch32 načinu) zasnovane s fiksno dolžino ukazov (običajno 32 bitov), kar poenostavi dekodiranje in cevovod (pipeline).

Sestava navodila

Na tradicionalnih arhitekturah navodilo vključuje opkodo, ki določa operacijo, ki jo je treba izvesti, na primer "dodaj vsebino pomnilnika v register", in nič ali več operandov, ki lahko določajo registre, pomnilniške lokacije ali dobesedne podatke. Specifikatorji operandov imajo lahko načine naslavljanja, ki določajo njihov pomen, ali pa so v fiksnih poljih.

• Opkoda (opcode): identifikator operacije (npr. ADD, LOAD, JUMP).
• Operandi: registri, naslovi v pomnilniku ali konstante (immediates).
• Načini naslavljanja: neposredno, posredno, bazni + premik, registrski, indeksni, relativni skoki ipd.
• Fiksna vs. spremenljiva polja: nekateri formati imajo polja fiksne dolžine (lažje dekodiranje), drugi uporabljajo kodiranje spremenljive dolžine za večjo gostoto ukazov.

Vrste navodil in arhitekture

V arhitekturah VLIW, ki vključujejo številne mikrokodne arhitekture, je v enem ukazu določenih več hkratnih operacij in operandov. V praksi to pomeni, da en strojni ukaz lahko vsebuje paket samostojnih operacij, ki jih procesor izvede vzporedno — pristop, ki prerazporeja odgovornost za odkrivanje vzporednosti iz strojne opreme na prevajalnik.

Če povzamemo glavne tipologije:

• RISC (Reduced Instruction Set Computer): manjša, enostavnejša in za običajno fiksne dolžine navodil, kar poenostavi cevovod in omogoči visoko frekvenco.
• CISC (Complex Instruction Set Computer): bogatejši nabor složenih ukazov, pogosto s spremenljivo dolžino navodil; primer je x86.
• VLIW (Very Long Instruction Word): združevanje več operacij v eno dolgo besedo, namenjeno večni vzporedni izvedbi.
• Mikrokoda: pri nekaterih CISC procesorjih so kompleksni ukazi implementirani kot zaporedje mikrokodiranih mikroukazov znotraj procesorja.

Predstavitev in razvoj navodil

Navodila so redko določena v obliki strojne kode; programerji jih lahko določijo z uporabo jezika za sestavljanje ali, kar je pogosteje, jih ustvarijo prevajalniki. Prevajalniki prevajajo višjenivojske jezike v zaporedje navodil, pri čemer optimizirajo razporeditev ukazov, uporabo registrov in izkoriščanje strojne vzporednosti.

Obstaja še ena splošnejša opredelitev "navodila", ki ni povezana samo z naborom ukazov procesorja, in sicer: 'Navodilo' je lahko katerakoli predstavitev elementa izvršljivega računalniškega programa. To vključuje tudi nižje nivoje, kot so bajtni kode (npr. za virtualne stroje), mikrokodne sekvence ali celo zaporedja mikrooperacij v superskalarnem procesorju.

Dodatne opombe o implementaciji

• Poravnava in naslavljanje: fiksna dolžina ukazov pogosto zahteva poravnavo v pomnilniku, kar pospeši prenos in dekodiranje; spremenljiva dolžina lahko prihrani prostor, a zahteva kompleksnejši dekoder.
• Cevovodjenje in superskalarno izvajanje: oblikovanje navodil in formati vplivajo na enostavnost pipelininga, razporejanja in izvajanja več ukazov hkrati.
• Endianness in interpretacija: pri večbajtnih navodilih je pomembna interpretacija vrstnega reda bajtov (big-endian vs. little-endian) za pravilno dekodiranje.
• Razširitve niza ukazov: moderni procesorji pogosto uvajajo razširitve (npr. SIMD ukazi, razširitve za kriptografijo), ki dodajo nove opkode in formate navodil.

Razumevanje navodil in njihovega oblikovanja je ključno za načrtovanje procesorskih arhitektur, razvoj prevajalnikov in optimizacijo programske opreme, saj neposredno vpliva na zmogljivost, porabo energije in kompleksnost strojne opreme.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je navodilo v računalništvu?

V: Kako dolga so lahko navodila?

V: Kaj vključuje navodilo?

V: Kako so običajno določena navodila?

V: Ali obstaja še kakšna definicija za "navodilo"?

V: Ali so vsa navodila enako velika?

Išči po črki