DATI ED ISTRUZIONI

1. Introduzione

Le stringhe binarie che i calcolatori usano si possono dividere in due grandi classi, in base al loro senso logico:

istruzioni
dati

Le istruzioni dicono al calcolatore cosa deve fare. I dati sono le entità su cui tali istruzioni agiscono.

Si noti che istruzioni e dati, in una macchina di Von Neumann, convivono nello stesso luogo: la memoria centrale. Questa è una debolezza di questo tipo di calcolatori, poichè non c'è alcuna protezione fra i due tipi (stringhe di dati possono essere scambiate per istruzioni e viceversa). Sta ai programmatori scrivere programmi sufficientemente corretti da non creare problemi in questo senso.

2. Istruzioni

Un programma scritto in linguaggio macchina (cioè direttamente comprensibile dal calcolatore) è un insieme di tali istruzioni binarie. Un programmatore è la persona che scrive tali stringhe. In realtà i programmatori scrivono programmi in linguaggi che usano codici mnemonici al posto di sequenze binarie. Queste sequenze vengono poi tradotte da appositi programmi in stringhe binarie.

Esistono 4 classi di istruzioni:

istruzioni di trasferimento: permettono lo spostamento di una stringa da un posto ad un altro, senza variare la stringa. (Ad es. spostamento da registro interno a registro interno della CU, da cella di memoria centrale a cella di memoria centrale, da cella a registro e viceversa.)
Le più comuni hanno i seguenti nomi:
move: sposta una stringa (è la più generale e può sostituire le promissime due, che cmq vengono tenute per comodità)
load: carica una stringa
store: memorizza una stringa
istruzioni aritmetiche e logiche: istruzioni che coinvolgono la ALU (and, or, xor, not, comparazione, addizione - NON ci sono moltiplicazioni e divisioni perchè la ALU non le sà eseguire)
istruzioni di salto: permettono di saltare da un punto all'altro del programma in esecuzione, interrompendone la sequenzialità (tramite l'entrata preselezionabile del PC).
Ne esistono di quattro tipi:
salti incondizionati: jump (salta) e branch (vai a).
salti condizionati: bne (salta se non sono uguali), ecc. Rappresentano la capacità di prendere decisione delle macchine di Von Neumann. Le condizioni da cui dipendono sono i flag della ALU.
salti a subroutine: jsr (salta a subroutine) Salta a un pezzo di programma che, siccome verrà spesso usato, è stato messo da parte. Prima di saltare, salva (in un registro interno alla CU) la posizione nel programma da cui salta (indirizzo nella memoria centrale dell'istruzione corrente preso dalla CU), così da poterci ritornare alla fine della subroutine (dunque dovrà esistere un'istruzione che segnala la fine di una suroutine e che, però, fa parte della successiva categoria di istruzioni).
altro tipo: le vedremo in futuro (trap).
istruzioni di comando: cose che il programmatore chiede alla macchina di fare. Agiscono sulla CPU e non hanno operandi.
Un esempio è l'istruzione return che comunica la fine di una subroutine.

Per quanto riguarda la "codifica" delle istruzioni, ovvero il modo di esprimere con stringhe binarie le azioni che si vuole che il calcolatore esegua, si usa dividere idealmente ogni istruzione in due campi logici: (esempio a 32 bit)

16 bit: codice istruzione

16 bit: referenziamento operandi

Il primo campo contiene il codice dell'istruzione: ogni istruzione è identificata univocamente tramite un numero binario di massimo 16 bit (verrà interpretato dal decodificatore di istruzione).
Il secondo campo contiene il referenziamento degli operandi: ogni istruzione agisce su un certo numero di dati (eventualmente zero); la loro posizione nel calcolatore viene indicata in questa parte dell'istruzione (verranno recuperati dal pc tramite preselezione inviata dal codificatore dei comandi).

Il referenziamento degli operandi può essere di due tipi: esplicito ed implicito.
Nel caso di referenziamento esplicito, nel campo "referenziamento degli operandi" viene effettivamente indicato dove si trovano gli operandi (memoria centrale o registri di memorizzazione interni alla CPU).
Nel caso di referenziamento implicito, il campo "referenziamento degli operandi" non esiste. In questo caso, infatti, ci si aspetta di trovare gli operandi in posizioni fisse (registri della CU detti accumulatori), prestabilite dal progettista della macchina.

Parlando del referenziamento esplicito, sorge un altro problema: se si decide di usare operandi che si trovano nella memoria centrale, lo spazio di 16 bit non basta neanche per indirizzarne uno (servono 32 bit per ogni indirizzo).
Esistono due soluzioni.
La prima consiste nell'utilizzare istruzioni più lunghe di una parola (istruzioni a lunghezza variabile poichè si possono avere istruzioni di 1, 2, 3, ecc. parole - ogni parola serve per l'indirizzo di un operatore).
La seconda consiste nell'usare i registri di memorizzazione interni della CU. Questi, essendo in numero esiguo, sono indirizzabili tramite stringhe molto corte, che riescono quindi a stare nei 16 bit disponibili (istruzioni a lunghezza fissa).

Sempre riguardo l'indirizzamento esplicito, esistono le seguenti possibilità di referenziamento:

immediato

16 bit: codice istruzione 16 bit: operando
assoluto

16 bit: codice istruzione 16 bit: indirizzo

Indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'operando.
a registro

16 bit: codice istruzione 16 bit: registro

Numero del registro di memorizzazione interno alla CU in cui si trova l'operando.
a registro differito

16 bit: codice istruzione 16 bit: registro

Numero del registro di memorizzazione interno alla CU in cui si trova l'indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'operando.
indiretto

16 bit: codice istruzione 16 bit: indirizzo

Indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'operando.
differito indiretto

16 bit: codice istruzione 16 bit: registro

Numero del registro di memorizzazione interno alla CU in cui si trova l'indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'operando.
relativo

16 bit: codice istruzione 16 bit: offset

Numero che sommato al contenuto del PC, dà l'indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'operando (di quanto bisogna spostarsi dalla posizione corrente in memoria centrale).
indicizzato

16 bit: codice istruzione 16 bit: offset

Numero che sommato al contenuto di un opportuno registro di memorizzazione interno alla CU che sia indice (cioè che contenga un indirizzo di memoria centrale), dà l'indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'operando (di quanto bisogna spostarsi, non dalla posizione corrente in memoria centrale, ma da una certa posizione memorizzata).
indiretto ...

16 bit: codice istruzione 16 bit: registro

Numero del registro di memorizzazione interno alla CU in cui si trova l'indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'operando.
relativo differito a registro

16 bit: codice istruzione 16 bit: indirizzo

Indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'indirizzo di un registro locale alla CU che contiene l'offset che sommato al PC da l'operando...
relativo differito a registro indiretto

16 bit: codice istruzione 16 bit: indirizzo

Indirizzo della memoria centrale in cui si trova l'indirizzo di un registro locale alla CU che contiene l'offset che sommato al PC da l'indirizzo di memoria centrale in cui si trova l'operando...
relativo non a PC ma ad indirizzo base

16 bit: codice istruzione 16 bit:

...
relativo non a PC ma ad indirizzo base

16 bit: codice istruzione 16 bit:

...
relativo non a PC ma ad indirizzo base

16 bit: codice istruzione 16 bit:

...
relativo non a PC ma ad indirizzo base

16 bit: codice istruzione 16 bit:

...
ad autoincremento

16 bit: codice istruzione 16 bit:

Come il terzo caso, è differito a registro, ma ogni volta che si passa per il registro, il suo contenuto viene incrementato di uno.
ad autodecremento

16 bit: codice istruzione 16 bit:

Come il terzo caso, è differito a registro, ma ogni volta che si passa per il registro, il suo contenuto viene decrementato di uno.

Utilizzando l'indirizzamento implicito, le istruzioni sono poco potenti: ne servono molte per fare anche le operazioni più semplici. Si consideri ad esempio una istruzione che somma due interi. Bisogna prima portare i due operandi dalla memoria o dai registri in cui sono ai registri predefiniti; bisogna quindi chiamare l'istruzione ed infine spostare il risultato dal registro in cui viene di default messo, alla memoria o al registro in cui si intende conservarlo.
Le istruzioni che utilizzano l'indirizzamento esplicito, invece, sono più potenti proprio perchè più complesse. Utilizzando ancora l'esempio della somma di due interi, basta una sola istruzione, nella quale vengono contestualmente indicate le posizioni degli operandi e del risultato.

Perchè un'istruzione sia eseguita da una macchina di Von Neumann sono necessarie le seguenti fasi:

caricamento
decodifica (riconoscimento)
esecuzione

Nel caricamento, il PC e la memoria centrale si mettono in comunicazione su richiesta del PC; l'indirizzo che PC conta raggiunge l'ingresso "Indirizzi" della memoria, la quale manda in output la stringa trovata; memoria centrale e decodificatore di istruzione si connettono su richiesta del PC; la stringa trovata in memoria raggiunge il decodificatore di istruzione.
Nella decodifica (riconoscimento), agisce il decodificatore di istruzione, che decodifica il campo "codice istruzione".
Nella esecuzione, agisce il codificatore dei comandi che manda istruzioni a tutte le unità che servono (ad esempio fa saltare il PC alla locazione di memoira dove si trova un certo operando).