Računalniki glede na število operandov

Največje število eksplicitnih operandov, ki jih lahko poda ukaz, je po vplivu na uporabnikovo videnje računalnika druga najpomembnejša lastnost ukazov. Na odločitev o največjem številu eksplicitnih operandov vpliva več stvari. Najprej lahko ugotovimo, da manjše število operandov pomeni krajše ukaze, ki zato zasedejo manj prostora v pomnilniku. To je bilo včasih bolj pomembno kot je danes, ko so zaradi napredka v mikroelektronski tehnologiji pomnilniki veliki in razmeroma poceni. Druga ugotovitev je, da manjše število operandov pomeni tudi manjšo moč ukazov. Ukazi z večjim številom operandov zahtevajo bolj zapleteno CPE in so zato pogostejši pri velikih računalnikih. Tretji faktor, ki vpliva na število operandov, je način shranjevanja operandov v CPE. Na število operandov pa seveda vpliva tudi tip operacij, ki jih nameravamo dati računalniku.

Od naštetih faktorjev je najlažje razumljiv zadnji. Elementarne operacije z več kot tremi operandi (dva vhodna operanda in rezultat npr. X = Z +Y ) so redke, tako da pravzaprav ni prave potrebe po takih ukazih. Zato ni presenetljivo, da je bilo zgrajenih le malo računalnikov z ukazi, ki vsebujejo več kot tri eksplicitne operande. Zaradi pomena, ki ga imajo naslovi pri podajanju operandov, se računalniku, ki uporablja ukaze z največ m eksplicitnimi operandi, namesto m-operandni pogosto pravimo tudi m-naslovni računalniki.

3+1-operandni računalniki

Računalnik te vrste je bil EDVAC. Oznaka +1 pomeni, da je poleg eksplicitnih operandov v ukazu tudi naslov naslednjega ukaza. Simbolično lahko delovanje 3+1 naslovnega računalnika opišemo z

OP3 ← OP2 + OP1
PC ← OP4

kjer so z OP1, OP2, OP3 in OP4 označeni operandi, z znakom + pa neka operacija (ne samo seštevanje). Ti računalniki niso imeli pomnilnika, za shranjevanje operandov v CPE – operandi so bili podani s pomnilniškimi naslovi lokacij, v katerih so bili shranjeni. Kot sledi iz enačbe, določa četrti operand naslov naslednjega ukaza. Računalniki te vrste v resnici sploh niso imeli programskega števca in ta v enačbi nastopa samo zaradi skladnosti z danes običajnim načinom opisovanja.

Osnovni razlog na pojav 3+1 naslovnih računalnikov je v tem da so se v njihovem času (1950) za glavni pomnilnik uporabljale naprave s krožnim dostopom, kot sta magnetni boben ali zakasnila linija. Pri teh napravah informacija stalno kroži in čas za dostop do neke lokacije je močno odvisen od njenega trenutnega položaja glede na dostopni mehanizem. V najboljšem primeru je informacija dostopna takoj; v najslabšem primeru je potreben en cel obrat, da se pomakne pod dostopni mehanizem. S pametno razporeditvijo ukazov in operandov, ki upošteva čas za izvrševanje vsake operacije, je mogoče zelo zmanjšati čakanje zaradi krožne narave dostopa. V primerjavi z na običajni način razporejenimi ukazi, je bilo tako mogoče doseči v nekaterih primerih tudi do 200 - kratno povečavo hitrosti. .

3-operandni računalniki

S pojavom prvih pomnilnikov z naključnim dostopom je odpadla potreba po "pametnem" razmeščanju ukazov po pomnilniku in s tem potreba po eksplicitnem podajanju naslova naslednjega ukaza. Pri pomnilniku z naključnim dostopom je namreč čas za dostop neodvisen od zaporedja naslovov - ta odraža oznaka naključni dostop. Zato se pojavi pravilo PC ← PC + 1, ki določa implicitni vrstni red ukazov. Simbolično lahko delovanje 3-operandnega računalnika opišemo z

OP3 ← OP2 + OP1
PC ← PC+1

kjer so vsi trije operandi OP1, OP2, OP3 največkrat v registrih CPE - operandi v glavnem pomnilniku se uporabljajo redkeje. Ker imajo osnovne aritmetične in logične operacije tri operande, so ukazi s tremi eksplicitnimi operandi najbližji navadam v matematiki. Do leta 1980 so jih imeli predvsem bolj zmogljivi računalniki, ki so namenjeni za računsko intenzivne aplikacije. Praktično vsi superračunalniki so bili (in so še) 3-operandni. Pri računalnikih, ki so bili razviti po letu 1980, je 3-operandnih največ; vendar praktično vedno z omejitvijo na operande v registrih.

2-operandi računalnik

osnovni razlog za to, da so bili 2-operandni računalniki dolgo najbolj pogosta vrata, je spoznanje, da opustitev enega eksplicitnega operanda pogosto ne vpliva veliko na hitrost računanja. To spoznaje sledi iz izkušenj pri mnogih problemih, kjer se rezultat ene operacije takoj porabi kot vhodni operand za naslednjo, nato pa ga ne potrebujemo več. V takih primerih lahko rezultat operacije brez škode shranimo v prostor, na katerem je eden od vhodnih operandov. Z opustitvijo enega operanda dobimo iz 3-operandnega 2-operandni računalnik, ki je opisan z:

OP2 ← OP2 + OP1
PC ← PC+1

Občasno se seveda zgodi, da pri kasnejših operacijah potrebujemo oba vhodna operanda. Kadar je tako, je treba z dodatnim ukazom enega od operandov najprej shraniti na drugo mesto, običajno v drug register. To pomeni, da je 2-operandnih računalnikov v nekaterih primerih počasnejši od 3-operandnega. To slabost do neke mere odtehta večja preprostost. Do leta 1980 so bili najpogostejša vrsta, potem so jih zamenjali 3-operandni računalniki.

1-operandni računalniki

V to skupino se uvrščajo računalniki, ki imajo v CPE za shranjevanje operandov en sam (včasih dva) akumulator. Eden od operandov se vedno nahaja v akumulatorju, zato zadošča en eksplicitni operand. Delovanje takega računalnika lahko simbolično opišemo z:

AC ← AC + AC
PC ← PC + 1

kjer smo z AC označili akumulator. Čisti 1-operandni računalniki, ki bi poleg akumulatorja v CPE ne imel še kakšnega registra, še niso gradili nikoli. Celo IAS je imel še register MQ. Toda ti drugi registri so namenjeni za posebne namene in se ne morejo uporabljati pri večini aritmetično-logičnih operacij. Danes te računalnike uporabljamo v izdelkih od gospodinjskih strojev do avtomobilov in igrač.

Čisti 1-naslovni računalnik, ki poleg akumulatorja v CPE nima nobenega drugega registra, se kot teoretični model von Neumannovega računalnika včasih uporablja pri študiju izračunljivosti. Pomen 1-naslovnega računalnika je v tem, da kot teoretični model von Neumannovega računalnika včasih služi kot orodje pri študiju izračunljivosti, podobno kot Turingovi stroji.

brez-naslovni (skladovni) računalniki

V to skupino spadajo računalniki, ki imajo pomnilnik v CPE narejen v obliki sklada. Njihovo delovanje lahko opišemo z:

sklad_VRH  ← sklad_VRH+ sklad_(VRH-1)
PC ← PC+1

Operacije se izvajajo nad operandi na vrhu sklada in operandov v ukazu ni treba navajati eksplicitno. Ukazi so krajši kot pri vsaki drugi vrsti računalnikov. Vendar pa pri vsakem potrebujemo tudi najmanj dva ukaza z enim eksplicitnim operandom. To sta ukaza PUSH in POP, ki omogočata prenos operanda iz pomnilnika na sklad in obratno. Njihovo obdobje se je pričelo z znanim računalnikom Atlas, ki so ga leta 1961 naredili na Manchester University v Angliji. Bil je istočasno tudi prvi računalnik z navideznim pomnilnikom in je dolgo služil kot model, po katerem so se zgledovali pri razvoju novih. Med računalniki razvitimi po letu 1980 skladovnih ni bilo več.

Gor Sistemi Motorola 68XX Ukazi RISK in CISC

SERŠ Maribor, Strokovna gimnazija, leto: 2005, avtor: Danijel Erjavec