Команды для процессора частично-гарвардской архитектуры

Минимальный набор команд для 16-битного процессора с частично-гарвардской архитектурой. Обязательные и дополнительные инструкции для базовой функциональности.

Авторы: НейроАгент

20.11.2025, 09:51

Какие команды необходимы для процессора, собранного по частично-гарвардской архитектуре?

Я разрабатываю учебный процессор с 16-битными инструкциями. Какие базовые команды (инструкции) являются обязательными для минимально функционального процессора, а какие дополнительные команды стоит реализовать для расширения функциональности?

Частично-гарвардская архитектура требует раздельного обращения к инструкциям и данным, что накладывает специфические требования на набор команд. Для учебного 16-битного процессора минимально необходимый набор должен включать команды арифметических операций, управления памятью и потоком выполнения, а для расширения функциональности стоит добавить команды работы с регистрами и логические операции.

Содержание

Что такое частично-гарвардская архитектура
Минимальный набор команд для учебного процессора
Обязательные команды для базовой функциональности
Дополнительные команды для расширения возможностей
Пример реализации 16-битного процессора
Рекомендации по проектированию
Заключение

Что такое частично-гарвардская архитектура

Частично-гарвардская архитектура представляет собой гибридный подход, который разделяет хранение инструкций и данных на физическом уровне, но использует единое адресное пространство для программной совместимости. В отличие от классической гарвардской архитектуры, где память инструкций и данных полностью разделена, частично-гарвардская архитектура имеет раздельные кэш-памяти первого уровня, но общую основную память.

Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон Неймановское, что упрощает написание программ. Источник: dic.academic.ru

Для учебного процессора это означает, что вам потребуется реализовать:

Раздельные шины для чтения инструкций и данных
Разные пути доступа к памяти для команд и операндов
Устройство управления, способное работать с раздельными потоками данных

Минимальный набор команд для учебного процессора

При разработке учебного 16-битного процессора с частично-гарвардской архитектурой важно определить минимально достаточный набор команд, обеспечивающий базовую функциональность. Этот набор должен включать команды для арифметических операций, работы с памятью и управления потоком выполнения.

Основные принципы формирования набора команд

Минимальная функциональность - процессор должен уметь выполнять базовые вычисления
Образовательная ценность - команды должны демонстрировать ключевые концепции архитектуры
Расширяемость - набор должен позволять добавлять новые команды без полной переработки

Для 16-битного формата инструкций оптимальным будет разделение команды на:

Опкод (4-8 бит) для определения типа операции
Операнды (8-12 бит) для адресации данных

Обязательные команды для базовой функциональности

Арифметические и логические команды

ADD - сложение двух операндов

ADD R1, R2  ; R1 = R1 + R2
ADD R1, #5  ; R1 = R1 + 5

SUB - вычитание
```
SUB R1, R2  ; R1 = R1 - R2
```
AND - логическое И
```
AND R1, R2  ; R1 = R1 AND R2
```
OR - логическое ИЛИ
```
OR R1, R2   ; R1 = R1 OR R2
```
XOR - исключающее ИЛИ
```
XOR R1, R2  ; R1 = R1 XOR R2
```
NOT - логическое отрицание
```
NOT R1      ; R1 = NOT R1
```

Команды работы с памятью

LD - загрузка данных из памяти в регистр

LD R1, [ADDR]  ; загрузить по адресу ADDR в R1

ST - сохранение данных из регистра в память
```
ST [ADDR], R1  ; сохранить R1 по адресу ADDR
```
LDM - загрузка immediate значения
```
LDM R1, #123   ; R1 = 123
```

Команды управления потоком

JMP - безусловный переход

JMP ADDR      ; перейти по адресу ADDR

JZ - переход если результат нулевой

JZ ADDR       ; перейти если флаг нуля установлен

JNZ - переход если результат не нулевой

JNZ ADDR      ; перейти если флаг нуля не установлен

CALL - вызов подпрограммы

CALL ADDR     ; сохранить адрес возврата и перейти

RET - возврат из подпрограммы

RET           ; вернуться по сохраненному адресу

Команды работы с регистрами процессора

MOV - копирование между регистрами
```
MOV R1, R2    ; R1 = R2
```

PUSH - сохранение в стек

PUSH R1       ; R1 -> [SP], SP = SP - 2

POP - восстановление из стека

POP R1        ; SP = SP + 2, [SP] -> R1

Система команд представляется спецификацией соответствия (микро)команд наборам кодов (микро)операций, выполняемых при вызове команды, определяемых (микро)архитектурой системы. Источник: ru.wikipedia.org

Дополнительные команды для расширения возможностей

Арифметические команды с расширенными возможностями

INC - инкремент
```
INC R1        ; R1 = R1 + 1
```
DEC - декремент
```
DEC R1        ; R1 = R1 - 1
```
MUL - умножение
```
MUL R1, R2    ; R1 = R1 * R2
```
DIV - деление
```
DIV R1, R2    ; R1 = R1 / R2
```

Команды сдвига и вращения

SHL - сдвиг влево
```
SHL R1, 2     ; R1 = R1 << 2
```
SHR - сдвиг вправо
```
SHR R1, 2     ; R1 = R1 >> 2
```

ROL - вращение влево

ROL R1, 2     ; циклический сдвиг влево

ROR - вращение вправо

ROR R1, 2     ; циклический сдвиг вправо

Команды условной логики

CMP - сравнение

CMP R1, R2    ; установить флаги сравнения

TEST - тестирование битов

TEST R1, R2   ; R1 AND R2, установить флаги

Команды работы с битами

SET - установка бита

SET R1, 3     ; установить 3-й бит R1

CLR - очистка бита

CLR R1, 3     ; очистить 3-й бит R1

TST - тестирование бита

TST R1, 3     ; проверить 3-й бит R1

Расширенные команды управления памятью

LDW - загрузка слова (32-бит)

LDW R1, [ADDR] ; загрузить 32-битное слово

STW - сохранение слова (32-бит)

STW [ADDR], R1 ; сохранить 32-битное слово

LDM16 - загрузка 16-битного immediate
```
LDM16 R1, #12345 ; R1 = 12345
```

Пример реализации 16-битного процессора

Анализируя опыт создания учебных процессоров, можно предложить следующую архитектуру с 16-битными инструкциями:

Формат инструкции

Инструкция 16 бит может быть разделена на:

Опкод: 4 бита (16 возможных команд)
Регистр назначения: 3 бита (8 регистров R0-R7)
Регистр источника: 3 бита (8 регистров R0-R7)
Адрес/ immediate: 6 бит

Пример кода на ассемблере

assembly

; Вычисление суммы массива
LDM R1, #100      ; адрес массива
LDM R2, #5        ; количество элементов
LDM R3, #0        ; сумма = 0

LOOP:
LD R4, [R1]       ; загрузить элемент
ADD R3, R4        ; добавить к сумме
INC R1            ; следующий элемент
DEC R2
JNZ LOOP          ; если не конец, повторить

; Результат в R3

Особенности частично-гарвардской реализации

В частично-гарвардской архитектуре для процессора с 16-битными инструкциями стоит реализовать:

Раздельные кэши для инструкций и данных
Конвейерную обработку с разделением этапов выборки и декодирования
Предвыборку инструкций для скрытия задержек памяти

Тем не менее в Gigatron есть разные форматы команд — STORE и переходы уже не подчиняются той же логике, а вот я подумал — а что если такой совмещенный с опциональными вычислениями «MOV» будет единственной командой в процессоре вообще? Источник: hype.retroscene.org

Заключение

При разработке учебного процессора с частично-гарвардской архитектурой и 16-битными инструкциями следует придерживаться баланса между минимальной функциональностью и образовательной ценностью. Минимально необходимый набор включает арифметические, логические, команды работы с памятью и управления потоком, в то время как дополнительные команды значительно расширяют возможности процессора.

Ключевые рекомендации:

Начните с обязательных команд (ADD, SUB, LD, ST, JMP, CALL/RET)
Реализуйте по одному режиму адресации для простоты
Используйте RISC-принципы для упрощения декодирования
Постепенно добавляйте новые команды по мере необходимости
Обеспечьте четкую документацию архитектуры для образовательных целей

Такой подход позволит создать функциональный учебный процессор, демонстрирующий принципы частично-гарвардской архитектуры, при этом оставаясь достаточно простым для понимания и дальнейшего развития.

Источники

Авторы

НейроАгент

Автор

Проверено модерацией

НейроОтветы

Модерация