Shrnutí na Struktura a provádění instrukcí procesoru

## Úvod Instrukční sada procesoru popisuje soubor příkazů (instrukcí), které může mikroprocesor vykonávat. Instrukce jsou základní jednotkou programu a každá obsahuje informaci o typu operace, datech, se kterými má pracovat, a o tom, kam uložit výsledek. > **Definice:** Instrukce je binární kód uložený v paměti, který říká procesoru, jakou operaci provést, s jakými operandy a kam uložit výsledek. ## Základní části instrukce Instrukce se obvykle skládá z následujících částí: - **Operační kód (opcode)** – určuje typ operace, např. sčítání nebo skok. - **Operand(y)** – data nebo odkazy na data; mohou být konstanty, registry nebo adresy v paměti. - **Adresovací mód** – způsob získání operandů. ### Příklad struktury instrukce [ OPCODE | OPERAND1 | OPERAND2 ] Příklad v assembleru: - ADD R1, R2 - opcode: ADD - operand1: R1 - operand2: R2 > **Definice:** Opcode je část instrukce, která jednoznačně určuje prováděnou operaci. ## Adresovací módy (jak získat data) Adresovací mód určuje, odkud procesor vezme operand. Základní módy: - **Immediate (okamžitý)** – operand je přímo v instrukci. - **Register (registr)** – operand je uložen v registru procesoru. - **Direct (přímý)** – instrukce obsahuje adresu v paměti, kde stojí operand. - **Indirect (nepřímý)** – instrukce obsahuje registr, který obsahuje adresu operandu. - **Indexed (indexový)** – adresa se vypočítá jako základní adresa plus index z registru. > **Definice:** Adresovací mód je způsob, jakým instrukce specifikuje umístění operandů. Tabela porovnání základních adresovacích módů: | Adresovací mód | Kde je operand | Výhoda | Nevýhoda | | --- | --- | --- | --- | | Immediate | V samotné instrukci | Rychlé, žádné další načítání | Omezená velikost hodnoty | | Register | V registru CPU | Nejrychlejší přístup | Omezený počet registrů | | Direct | V paměti na dané adrese | Přímý přístup k paměti | Pomalejší než registry | | Indirect | Adresa v registru | Flexibilní ukazatele | Další paměťový přístup | | Indexed | Vypočtená adresa | Užitečné pro pole | Potřeba výpočtu adresy | ## Instrukční cyklus (zpracování instrukce) Instrukce se vykonává opakovaně podle instrukčního cyklu: 1. Načtení instrukce (Fetch) - Obsah programového čítače (PC) určuje adresu instrukce. - Instrukce se načte z paměti do instrukčního registru (IR). - PC se zvýší na adresu další instrukce. 2. Dekódování instrukce (Decode) - Řadič analyzuje opcode, zjistí typ operace, počet operandů a adresovací módy. 3. Vykonání instrukce (Execute) - ALU provede výpočet nebo logickou operaci. - Může dojít ke čtení nebo zápisu paměti nebo ke změně PC (skok). 4. Uložení výsledku (Write-back) - Výsledek se uloží do registru nebo paměti. - Aktualizují se stavové příznaky (flagy). > **Definice:** Instrukční cyklus je opakovaný postup fetch–decode–execute–write-back, kterým procesor provede jednu instrukci. Praktický příklad: Načtěte a vykonejte ADD R1, R2 - Fetch: PC ukazuje na instrukci, instrukce se načte do IR. - Decode: Řadič rozpozná opcode ADD a dva registry jako operandy. - Execute: ALU sečte obsah R1 a R2. - Write-back: Výsledek se uloží do cílového registru; případně se nastaví příznaky. ## Stavové registry a příznaky Po vykonání aritmetické nebo logické instrukce se často aktualizují příznaky ve stavovém registru: - **Z (Zero)** – výsledek je nulový. - **C (Carry)** – nastal přenos/borrow při aritmetice. - **S / N (Sign)** – znaménko výsledku. - **O / V (Overflow)** – aritmetické přetečení. Tyto příznaky se využívají při podmíněných skocích a rozhodování v programu. ## Vliv architektury na instrukční sadu | Architektura | Charakteristika instrukcí | Výhoda | Nevýhoda | | --- | --- | --- | --- | | CISC (Complex Instruction Set Computer) | Složité instrukce, proměnná délka | Méně instrukcí v programu | Složitější dekódování | | RISC (Reduced Instruction Set Computer) | Jednoduché instrukce, pevná délka | Jednoduché pipeline a rychlé vykonání | Program může být delší | > **Defini