2.2.2 Befehlssatz
Definition: Befehlssatz
Unter dem Befehlssatz einer CPU versteht man die Menge der von einer CPU unterstützten Befehle.
Ein Beispiel für einen ganz einfachen Befehlssatz ist in dem bereits bekannten Video Vom Quellcode zum Prozessor zu sehen:
Die Auflistung der einzelnen Befehle erfolgt in dem vorangegangenen Bild jeweils in Maschinencode (3 Bit) als auch als Assemblerbefehl.
Innerhalb des Befehlssatzes lassen sich einzelne Befehlsarten unterscheiden. Zu den Befehlsarten zählen unter anderem:
- Datenbewegungsbefehle (z.B. LOAD, STORE)
- Arithmetisch-logische Befehle (z.B. ADD, SUB)
- Programmsteuerbefehle (z.B. JUMP, EQUAL)
- Systemsteuerbefehle (z.B. HALT)
Eine umfassendere Auflistung und Erläuterung der Befehlsarten ist bei zu finden.
Neben der Festlegung der Namen der einzelnen Befehle (bzw. deren binärer Codierung), ist die Festlegung des sogenannten Befehlsformats eine wichtige Entscheidung bei der Entwicklung einer CPU.
Das Befehlsformat definiert für jeden einzelnen Befehl, wie dieser codiert ist. Im Video Vom Quellcode zum Prozessor entspricht dies dem aus drei Teilen bestehende Format:
<Befehl><Num><Operand>
Dabei wird <Befehl> mit drei Bit codiert, <Num> mit einem Bit und <Operand> mit sechs Bit. Die im Video gezeigte Reserve dient lediglich dazu, die gesamte Befehlslänge auf ein Vielfaches eines Bytes (= acht Bit) zu ergänzen. Die Befehlslänge aus dem Beispiel im Video beträgt somit für alle Befehle 16 Bit.
Auch bei den Befehlsformaten werden verschiedene Klassifizierungen unterschieden, gibt diese Klassen ausführlich an. An dieser Stelle werden lediglich drei unterschiedliche Varianten betrachtet:
- Einadressformat
- Zweiadressformat
- Dreiadressformat
Das Einadressformat entspricht dem Format aus dem Video Vom Quellcode zum Prozessor. Hier wird für die einzelnen Befehle nur der Opcode und die Adresse eines Operaden (deshalb Einadressformat) angegeben.
<Opcode><Operand1>
Wird ein zweiter Operand benötigt, so wird vorausgesetzt, dass dieser sich im Register Akkumulator befindet. Das bei der Abarbeitung des Befehls berechnete Ergebnis wird per Definition wieder im Akkumulator gespeichert.
Definition: Opcode
Unter dem Opcode eines Befehls versteht man eine binäre Codierung, aus der sowohl der Befehl, als auch zusätzlich benötigte Steuerinformationen hervorgehen.
Der Opcode für das Beispiel zum Einadressformat besteht also aus <Befehl> und <Num>, insgesamt also aus vier Bit.
Aufgabe 1
Betrachte die Befehle NOOP, LOAD, STORE, ADD, SUB, EQUAL, JUMP, HALT aus dem Video Vom Quellcode zum Prozessor. Welche dieser Befehle benötigen einen Operaden, welche benötigen keinen Operanden?
Beim Zweiadressformat besteht ein kompletter Befehl aus dem Opcode, einer Adresse des ersten Operanden und einer Adresse des zweiten Operaden. Per Definition wird das bei der Abarbeitung des Befehls berechnete Ergebnis unter der Adresse eines der beiden Operanden abgelegt. Es Bedarf hierfür der Festlegung, an der Adresse welches Operaden das Ergebnis später zu finden ist, üblicherweise wird hierfür die Adresse des ersten Operanden gewählt.
<Opcode><Operand1/Ergebnis><Operand2>
Beim Dreiadressformat besteht ein kompletter Befehl aus dem Opcode, einer Adresse des ersten Operanden, einer Adresse des zweiten Operanden, sowie einer Adresse, an der das Ergebnis gespeichert wird. Üblicherweise ergibt sich in der Notation folgende Reihenfolge:
<Opcode><Ergebnis><Operand1><Operand2>
Diese Reihenfolge spiegelt sich beispielsweise auch im C-Quelltext aus dem Beispiel im Kapitel Vom Quellcode zum Prozessor wieder. Hier der entscheidende Ausschnitt:
int z = x + y;
Z nimmt das Ergebnis auf und steht zuerst, x und y sind die beiden Operanden.
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