Система команд. 
Архитектура ЭВМ и систем

Общие сведения. Фиксированный набор команд конкретного микропроцессора называют системой команд. Функциональные способности процессора определяются совокупностью базовых команд с различными кодами операций. Общее число команд (кодов операции) в системе всегда больше числа базовых команд. Например, к базовой команде относится команда MOV dst, scr, которая обеспечивает функцию пересылки данных из источника scr в приемник dst. Таких команд в системе может быть очень много. Система команд представляется в виде таблицы. Таблица может иметь различную структуру, однако обычно она содержит следующие сведения о команде:

• • мнемоническое обозначение команды, представляющее собой сокращенную запись названия команды. Для этого используются 3−4 латинские буквы названия операции, выполняемой командой. Мнемоника является удобной формой представления кода операции команды. Также она используется при описании команды на языке ассемблера. Программа ассемблера преобразует мнемоническое обозначение кодов операции в соответствующие двоичные эквиваленты;
• • шестнадцатеричные коды команд;
• • влияние выполненной команды на флаги регистра состояния программы;
• • число байтов в команде и число машинных циклов и тактов, затрачиваемых на выполнение команды;
• • словесное и (или) символьное описание выполняемой командой операции.

Часто для удобства систему команд разбивают на отдельные группы по функциональному признаку. Например, систему команд микропроцессора КР580ВМ80, содержащую 78 базовых команд, разбивают на 5 групп [18]. Ниже приведено краткое описание функциональных особенностей команд каждой группы.

Команды имеют длину от 1 до 3 байт. Код операции всегда размещен в первом байте команды. Второй байт команды отводится под непосредственный операнд или адрес порта, второй и третий байты являются адресом ячейки памяти. Команды допускают явное задание только одного адреса памяти, т. е. относятся к классу одноадресных команд. При описании команд используются следующие обозначения:

• • src, dst — 8-разрядные источник и приемник. Источником или приемником может быть один из 8-разрядных регистров А, В, С, D, Е, Н или ячейка памяти М, доступ к которой обеспечивает регистровая пара Н L, содержащая адрес пересылаемого байта. В коде операции источник src и приемник dst указаны в виде трехразрядного кода SSS и DDD;
• • RP — двухразрядный код регистровых пар ВС, DE, Н L, А + РП (регистр признаков) или указателя стека SP;
• • data, data 16 — 8- и 16-разрядный операнд;
• • addr, port — 16-разрядный адрес памяти и 8-разрядный адрес порта;
• • (addr), (SP) — содержимое ячейки памяти по указанным адресам;
• • (SP)+, -(SP) — операции постинкремента и предекремента со стеком. Команды пересылки. Г руппа содержит наиболее часто встречающиеся в программах команды пересылки данных, источниками и приемниками которых могут быть внутренние регистры процессора, основная память и внешние устройства. Команды не оказывают воздействия на флаги регистра состояния.

Мнемоника команды отражает особенности выполняемой операции и способ адресации. Например, мнемоника MOV, MVI указывает на перемещение (Move) операндов; LDA, LDAX, LXI, LHLD — на загрузку (Load); STA, STAX, SHLD — на сохранение (Save). Для операций с байтами используется мнемоника MOV, MVI, LDA, STA, LDAX, STAX; для операций со словами- LXI, LHLD, SHLD. Прямая адресация при загрузке и сохранении содержимого аккумулятора отражается мнемоникой LDA и STA, косвенная — мнемоникой LDAX и STAX.

Команды этой группы сведены в табл. 5.8. Они позволяют осуществить:

• • операцию пересылки данных между источником (src) и приемником (dst), которая записывается в виде dst < src (команда 1). Источниками и приемниками являются внутренние регистры общего назначения (А, В, С, D, Е, Н) и ячейка памяти М. Допускается любая комбинация, за исключением М < М, т. е. перезагрузка ячейки памяти М не разрешается;
• • загрузку регистров общего назначения и ячейки М вторым байтом В2 (команда 2) и регистровых пар ВС, DE, HL (в том числе указателя стека SP) вторым В2 и третьим В3 байтами (команда 3), причем всегда В3 загружается в старшие регистры (В, D, Н) пары, В2 — в младшие регистры (С, Е, L);
• • пересылку данных между аккумулятором, А и основной памятью (команды 4?7), между аккумулятором и внешним устройством (команды 8, 9). При пересылке между аккумулятором, А и памятью адреса ячеек памяти располагаются в регистровых парах ВС, DE или в третьем и втором байтах (В3В2) команды;

Таблица 5.8

Примечания: RP — 2-разрядный код регистровых пар ВС, DE, HL, А + РП (регистр признаков) или указателя стека SP; Б — байты, U — циклы, Т — циклы.

• • пересылку данных между парой регистров HL и памятью (команды 10, 11). При этом операнд из регистра L пересылается в ячейку с адресом В3В2, образованным из третьего и второго байта команды, а из регистра Н — по адресу на единицу больше. При обратной пересылке сначала из ячейки с адресом В3В2 в регистр L загружается первый операнд, затем из ячейки с адресом В3В2+1 в регистр Н — второй;
• • пересылку данных между парами регистров, включая пару из аккумулятора, А и регистра признаков РП, и стеком (команды 12, 13). При записи в стек содержимое указателя стека уменьшается на единицу, и по адресу SP-1 загружается первый операнд в один из регистров В, D, Н или А, затем содержимое указателя стека снова уменьшается на единицу, и по адресу SP-2 загружается второй операнд из регистра С, Е, L или РП. При выводе из стека сначала в один из регистров С, Е, L или РП загружается операнд, хранящийся в ячейке с адресом SP указателя стека. Затем содержимое увеличивается на единицу, из ячейки с адресом SP + 1 второй операнд загружается в один из регистров В, D, Н или А, и содержимое указателя стека вновь увеличивается на единицу и принимает значение SP + 2. Следует отметить, что при загрузке регистровой пары А, РП (ее код RP = 11) из стека изменяется состояние триггеров регистра признаков РП. Это единственная команда (из всех команд пересылки данных), которая влияет на признаки;
• • пересылку содержимого пары регистров HL в указатель стека SP и программный счетчик PC (команды 14, 15);
• • обмен данными между парами регистров HL и DE, парой регистров HL и стеком (команды 16, 17). При обмене содержимое регистровой пары HL помещается в пару DE или стек, а содержимое регистровой пары DE или стека — в пару HL. Операция обмена обозначается символом «-» .

Арифметические команды. Вычислительные возможности микропроцессора ограничены простыми командами сложения и вычитания 8-разрядных операндов. Операции умножения и деления реализуются программным способом. Набор команд (табл. 5.9) позволяет выполнить:

• • сложение и вычитание 8-разрядных операндов с учетом и без учета переноса (команды l?8), при этом один из операндов всегда находится в аккумуляторе, а второй — в одном из регистров общего назначения (ячейке памяти М) или является вторым байтом команды. Команды, учитывающие значение сигнала переноса С регистра признаков, используются при сложении и вычитании многобайтных чисел. Для этой же цели можно использовать команду 9 сложения содержимого пары регистров HL с 16-разрядным адресуемым регистром;
• • арифметическое сравнение содержимого аккумулятора, А с содержимым одного из регистров общего назначения Rn (ячейкой памяти М) или вторым байтом В2 (команды 10+11). При этом выполняется вычитание, А — Rn или, А — В2. Результат сравнения определяется по сигналам триггеров регистра признаков: если Z = 1, то A = Rn или, А = В2; если S = 1, то, А > Rn или, А > В2. Содержимое аккумулятора не изменяется;
• • увеличение и уменьшение на 1 (инкремент и декремент) содержимого регистров и регистровых пар. При программировании часто

Таблица 5.9

возникает необходимость увеличения или уменьшения на единицу значения операнда. Для этого можно использовать операции сложения, А + В2 или вычитания, А — В2, записав в программе В2 = 1. Однако в системе команд предусмотрены специальные команды (12−5-15) инкремента и декремента 8- и 16-разрядных операндов;

• десятичную коррекцию содержимого аккумулятора после выполнения арифметических операций в двоично-десятичном коде 8421 (команда 16). При этом содержимое аккумулятора представляется в виде двух полубайтов, каждый из которых соответствует десятичной цифре. Коррекция производится блоком десятичной коррекции по изложенным в § 5.2 правилам (с. 99).

Команды логических операций. Команды этой группы (табл. 5.10) позволяют реализовать:

• • двуместные логические операции умножения (И), сложения (ИЛИ) и исключающее ИЛИ над 8-разрядными операндами (команды 1?6). Логические операции являются поразрядными и выполняются независимо для каждого из восьми бит операндов. Неадресуемый операнд находится в аккумуляторе, туда же поступает результат операции. Вторым операндом является содержимое одного из регистров общего назначения (ячейки памяти М) или второй байт команды;
• • инвертирование содержимого аккумулятора, А (команда 7);
• • флаговые команды (8, 9) инвертирования и установки бита С триггера переноса регистра признаков;
• • два вида циклических сдвигов содержимого аккумулятора влево и вправо (команды Юл-13). Первый вид сдвигов (сдвиги без переноса) реализуется путем замыкания в кольцо всех триггеров аккумулятора, при втором виде сдвигов (сдвиги с переносом, или расширенные сдвиги) в кольцо дополнительно вводится триггер переноса С регистра признаков. Отсутствующие в системе команд логические и арифметические сдвиги в обе стороны можно реализовать предварительной установкой бита С в 0 или 1 совместно с расширенным сдвигом.

Команды передачи управления. При передаче управления нарушается последовательный ход выборки содержимого ячеек памяти и процессор адресуется в другую область памяти. Выделяют.

Таблица 5.10

№. п/п.	Мнемоника команды.		Выполняемая операция.	Код операции.	Число.			CVZSP.
					Б.	U.	T.
	ANA.	src.	А < А л src — умножение.	10100SSS.	l.	½.	4/7.	00 + + +.
	ORA.	src.	А < A v src — сложение.	10II0SSS.		½.	4/7.	00 + + +.
	XRA.	src.	А < A © src — искл. ИЛ И.	10I01SSS.		½.	4/7.	00 + + +.
	ANI.	data.	А < А л data.	E6.				00 + + +.
	ORI.	data.	А < A v data.	F6.				00 + + +.
	XRI.	data.	А < A © data.	EE.				00 + + +.
	CMA.		А < A.	2E.
	CMC.		C.	3 °F.				+ ;
	STC.		C< 1.					+ ;
	RLC.							+ ;
	RRC.			OF.
	RAL.
	RAR.			IF.				+ ;

три вида команд передачи управления: команды перехода по заданному адресу (JMP), вызова подпрограммы (CALL) и возврата из подпрограммы (RET). К ним относятся безусловные и условные команды. Условные команды осуществляют переход, вызов подпрограммы и возврат из подпрограммы в зависимости от состояния флага, задаваемого значением сигнала одного из четырех триггеров Z, С, S, Р регистра признаков (или состояния). В процессоре 8080 используются оба состояния (1 и 0) четырех флагов (Z, С, Р, S), позволяющих получить 8 вариантов каждой команды (табл. 5.11). Обозначение признака (условия) указывается в мнемонике условных команд J**, С**, R** вместо звездочек (**). Например, признаку NC, для которого условия перехода считаются выполненными при С = 0, соответствует команда JNC.

В операциях как условного, так и безусловного перехода и вызова подпрограмм используется полный прямой 16-разрядный адрес, обеспечивающий передачу управления в любую точку 64-килобайтовой области пространства памяти.

Таблица 5.11

Рассмотрим особенности команд, представленных в табл. 5.12.

С помощью трехбайтной команды JМР реализуется безусловная передача управления. При этом второй и третий байты команды (адрес addr продолжения программы) заносятся в счетчик команд PC (содержимое В3 в старшие разряды, В2 — в младшие).

Команды условной передачи управления J** реализуют разветвление вычислительного процесса в зависимости от условия. При выполнении условия (ДА) в счетчик PC заносится второй и третий байты команды, в противном случае (НЕТ) содержимое счетчика увеличивается на 3 единицы. Продолжение программы осуществляется по адресу, находящемуся в счетчике команд, т. е. со следующей команды.

Таблица 5.12

№. п/п.	Мнемоника команды.	Выполняемая операция.	Код операции.	Число.
				Б.	LI.	T.
	JMP add г.		сз.
	J** addr.		11XXX0I0.
	CALL addr.
	С** addr.		11XXXI00.		5/3.	17/11.
	RET.		CD.			II.
	R**.		I1XXX000.		3/1.	11/5.
	PCHL.		E9.

Команды безусловного (CALL) и условного (С**) вызовов используются для обращения к подпрограммам, хранящимся в другой части основной памяти. Эти команды всегда предусматривают возможность возврата в прерванную основную программу путем сохранения в стеке содержимого программного счетчика PC. После выполнения операции возврата:

• • при безусловном вызове или выполнении условия второй и третий байты команды заносятся в программный счетчик PC;
• • при невыполнении условия содержимое программного счетчика увеличивается на 3 единицы.

Продолжение программы осуществляется по адресу, находящемуся в счетчике команд PC.

В наборе имеются команды, позволяющие реализовать безусловную (RET) и условную (К**) передачу управления для возврата в прерванную программу. При выполнении этих команд адрес возврата переписывается из стека в программный счетчик PC, для чего используется постинкрементный способ адресации. При невыполнении условия возврата (для команды с условием) осуществляется переход к очередной команде путем увеличения на единицу содержимого программного счетчика PC. Команды возврата являются однобайтными, так как в указателе стека SP хранится адрес ячейки стека с адресом возврата в прерванную программу.

Команда PCHL загружает в программный счетчик PC адрес, хранящийся в регистровой паре HL.

Команды общего управления. Команды этой группы (табл. 5.13) используются для задания режима работы микропроцессора. Команда RST применяется для повторного пуска микропроцессора и при обслуживании прерываний. При ее выполнении:

• • содержимое программного счетчика переносится в стек по адресам SP — 1, SP — 2, формируемым в указателе стека, что обеспечивает возврат к основной программе;
• • в программный счетчик засылается 16-разрядный адрес начала одной из 8 программ обслуживания прерывания.

Таблица 5.13

Команда разрешения прерывания EI устанавливает триггер INTE разрешения прерываний в единичное состояние, при этом микропроцессор реагирует на запросы прерываний. Команда запрещения прерываний DI устанавливает триггер INTE в нулевое состояние. Пустая команда NOP используется в циклах программируемой задержки. Команда останова HLT вызывает прекращение выполнения программы.