в эвм машинные коды используются
Машинный код
Из Википедии — свободной энциклопедии
Маши́нный код (платфо́рменно-ориенти́рованный код), маши́нный язы́к — система команд (набор кодов операций) конкретной вычислительной машины, которая интерпретируется непосредственно процессором или микропрограммами этой вычислительной машины. [1]
Компьютерная программа, записанная на машинном языке, состоит из машинных инструкций, каждая из которых представлена в машинном коде в виде т. н. опкода — двоичного кода отдельной операции из системы команд машины. Для удобства программирования вместо числовых опкодов, которые только и понимает процессор, обычно используют их условные буквенные мнемоники. Набор таких мнемоник, вместе с некоторыми дополнительными возможностями (например, некоторыми макрокомандами, директивами), называется языком ассемблера.
Каждая модель процессора имеет собственный набор команд, хотя во многих моделях эти наборы команд сильно перекрываются. Говорят, что процессор A совместим с процессором B, если процессор A полностью «понимает» машинный код процессора B. Если процессоры A и B имеют некоторое подмножество инструкций, по которым они взаимно совместимы, то говорят, что они одной «архитектуры» (имеют одинаковую архитектуру набора команд).
Информационно-логические основы ЭВМ
Машинные коды
Прямой код двоичного числа образуется из абсолютного значения этого числа и кода знака (нуль или единица) перед его старшим числовым разрядом.
Точечной вертикальной линией здесь отмечена условная граница, отделяющая знак от цифровых разрядов.
Свое название обратный код чисел получил потому, что коды цифр отрицательного числа заменены инверсными. Укажем наиболее важные свойства обратного кода чисел:
Дополнительный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Дополнительный код отрицательного числа представляет собой результат суммирования обратного кода числа с единицей младшего разряда (
— для целых чисел, 
— для дробных).
Укажем основные свойства дополнительного кода.
Сложение дополнительных кодов положительного числа 
с его отрицательным значением дает так называемую машинную единицу дополнительного кода:
т. е. число 10 (два) в знаковых разрядах числа.
Арифметические операции над числами с фиксированной точкой
Сложение (вычитание). Операция вычитания приводится к операции сложения путем преобразования чисел в обратный ( ОК ) или дополнительный (ДК) код. Пусть числа 
и 
, тогда операция алгебраического сложения выполняется в соответствии с табл. 14.3.
| Требуемая операция | Необходимое преобразование |
|---|---|
 | |
 |  |
 |  |
 |  |
Зависимости, представленные в правой части таблицы, указывают на замену операции вычитания операцией сложения с обратным или дополнительным кодом соответствующего числа. Сложение двоичных чисел осуществляется последовательно, поразрядно в соответствии с табл. 14.2. При выполнении сложения цифр необходимо соблюдать следующие правила.
Пример 14.9. Сложить два числа 
.
Исходные числа имеют различную разрядность, и необходимо провести выравнивание разрядной сетки:
Сложение в обратном или дополнительном кодах дает один и тот же результат:
Обратим внимание, что при сложении цифр отсутствуют переносы в знаковый разряд и из знакового разряда, что свидетельствует о получении правильного результата.
Пример 14.10. Сложить два числа 
в ОК и ДК. В соответствии с табл. 14.3 должна быть реализована зависимость , в которой второй член преобразуется с учетом знака
При сложении чисел в ОК и ДК были получены переносы в знаковый разряд и из знакового разряда. В случае ОК перенос из знакового разряда требует дополнительного прибавления единицы младшего разряда (см. п. 4. правил). В случае ДК этот перенос игнорируется.
Умножение. Умножение двоичных чисел наиболее просто реализуется в прямом коде. Рассмотрим, каким образом оно приводится к операциям сложения и сдвигам.
Пример 14.11. Умножить два числа 
. Перемножим эти числа, представленные прямыми двоичными кодами, так же, как это делается в десятичной системе.
Нетрудно видеть, что произведение получается путем сложения частных произведений, которые представляют собой разряды множимого, сдвинутые влево в соответствии с позициями разрядов множителя. Частные произведения, полученные умножением на нуль, игнорируются. Важной особенностью операции умножения n-разрядных сомножителей является увеличение разрядности произведения до 
. Знак произведения формируется путем сложения знаковых разрядов сомножителей. Возможные переносы из знакового разряда игнорируются.
Деление. Операция деления, как и в десятичной арифметике, является обратной операции умножения. Покажем, что и эта операция приводится к последовательности операций сложения и сдвига.
Пример 14.12. Разделить два числа 
.
Знак частного формируется также путем сложения знаковых разрядов делимого и делителя, как это делалось при умножении.
Вычислительная техника и программирование/Занятие 4
Содержание
Машинные коды [ править ]
Все операции в ЭВМ выполняются над числами, представленными специальными машинными кодами. Их использование позволяет обрабатывать знаковые разряды чисел так же, как и значащие разряды, а также заменять операцию вычитания операцией сложения.
Различают следующие коды двоичных чисел:
Прямой код [ править ]
Прямой код двоичного числа образуется из абсолютного значения этого числа и кода знака (0 или 1) перед его старшим числовым разрядом.
Обратный код [ править ]
Обратный код двоичного числа образуется по следующему правилу. Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Обратный код отрицательного числа содержит единицу в знаковом разряде числа, а значащие разряды числа заменяются на инверсные, т.е. нули заменяются единицами, а единицы нулями.
Свое название обратный код получил потому, что коды цифр отрицательного числа заменены на инверсные. Наиболее важные свойства обратного кода чисел:
Дополнительный код [ править ]
Основные свойства дополнительного кода:
• сложение дополнительных кодов положительного числа С с его отрицательным значением дает т.н. машинную единицу дополнительного кода:
МЕдк=МЕок + 2 0 = 10|00…00,
т.е. число 10 (два) в знаковых разрядах числа;
• дополнительный код называется так потому, что представление отрицательных чисел является дополнением прямого кода чисел до машинной единицы
Модифицированные обратные и дополнительные коды [ править ]
Модифицированные обратные и дополнительные коды двоичных чисел отличаются соответственно от обратных и дополнительных кодов удвоением значений знаковых разрядов. Знак «+» в этих кодах кодируется двумя нулевыми знаковыми разрядами, а знак «–» – двумя единичными разрядами.
Арифметические действия в машинных кодах. [ править ]
Сложение (вычитание). Операция вычитания приводится к операции сложения путем преобразования чисел в обратный или дополнительный код согласно таблице.
| Требуемая операция | Необходимое преобразование |
|---|---|
| А+В | А+В |
| А-В | А+(-В) |
| -А+В | (-А)+В |
| -А-В | (-А)+(-В) |
Здесь А и В неотрицательные числа. Скобки в представленных выражениях указывают на замену операции вычитания операцией сложения с обратным или дополнительным кодом соответствующего числа. Сложение двоичных чисел осуществляется последовательно, поразрядно в соответствии с таблицей. При выполнении сложения цифр необходимо соблюдать следующие правила:
Пример 1. Сложить два числа: А10 = 7, В10 = 16.
Исходные числа имеют различную разрядность, необходимо провести выравнивание разрядной сетки:
Сложение в обратном или дополнительном коде дает один и тот же результат:
По таблице необходимо преобразование А+(-В), в которой второй член преобразуется с учетом знака
При сложении чисел в ОК и ДК были получены переносы в знаковый разряд и из знакового разряда. В случае ОК перенос из знакового разряда требует дополнительного прибавления единицы младшего разряда (п.4 правил). В случае ДК этот перенос игнорируется.
Практическая часть. [ править ]
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Машинный код
Машинный код или машинный язык представляет собой набор инструкций, выполняемых непосредственно центральным процессором компьютера (CPU). Каждая команда выполняет очень конкретную задачу, например, загрузки (load), перехода (jump) или элементарной арифметической или логической операции для единицы данных в регистре процессора или памяти. Каждая программа выполняется непосредственно процессором и состоит из ряда таких инструкций.
Машинный код можно рассматривать как самое низкоуровневое представление скомпилированной или собранной компьютерной программы или в качестве примитивного и аппаратно-зависимого языка программирования. Писать программы непосредственно в машинном коде возможно, однако это утомительно и подвержено ошибкам, так как необходимо управлять отдельными битами и вычислять числовые адреса и константы вручную. По этой причине машинный код практически не используется для написания программ.
Почти все практические программы сегодня написаны на языках более высокого уровня или ассемблере. Исходный код затем транслируется в исполняемый машинный код с помощью таких утилит, как интерпретаторы, компиляторы, ассемблеры, и/или линкеры. [Источник 1]
Содержание
Инструкции машинного кода (ISA)
Каждый процессор или семейство процессоров имеет свой собственный набор инструкций машинного кода. Инструкции являются паттернами битов, которые в силу физического устройства соответствуют различным командам машины. Говорят, что процессор A совместим с процессором B, если процессор A полностью «понимает» машинный код процессора B. Если процессоры A и B имеют некоторое подмножество инструкций, по которым они взаимно совместимы, то говорят, что они одной архитектуры. Таким образом, набор команд является специфическим для одного класса процессоров. Новые процессоры одной архитектуры часто включают в себя все инструкции предшественника и могут включать дополнительные. Иногда новые процессоры прекращают поддержку или изменяют значение какого-либо кода команды (как правило, потому, что это необходимо для новых целей), влияя на совместимость кода до некоторой степени; даже почти полностью совместимые процессоры могут показать различное поведение для некоторых команд, но это редко является проблемой.
Системы также могут отличаться в других деталях, таких как расположение памяти, операционные системы или периферийные устройства. Поскольку программа обычно зависит от таких факторов, различные системы, как правило, не запустят один и тот же машинный код, даже если используется тот же тип процессора. [Источник 2]
Виды ISA
x86 всегда был архитектурой с инструкциями переменной длины, так что когда пришла 64-битная эра, расширения x64 не очень сильно повлияли на ISA. ARM это RISC-процессор разработанный с учетом инструкций одинаковой длины, что было некоторым преимуществом в прошлом. Так что в самом начале все инструкции ARM кодировались 4-мя байтами. Это то, что сейчас называется «режим ARM».
На самом деле, самые используемые инструкции процессора на практике могут быть закодированы c использованием меньшего количества информации. Так что была добавлена ISA с названием Thumb, где каждая инструкция кодируется всего лишь 2-мя байтами. Теперь это называется «режим Thumb». Но не все инструкции ARM могут быть закодированы в двух байтах, так что набор инструкций Thumb ограниченный. Код, скомпилированный для режима ARM и Thumb может сосуществовать в одной программе. Затем создатели ARM решили, что Thumb можно расширить: так появился Thumb-2 (в ARMv7). Thumb-2 это всё ещё двухбайтные инструкции, но некоторые новые инструкции имеют длину 4 байта. Распространено заблуждение, что Thumb-2 — это смесь ARM и Thumb. Это неверно. Режим Thumb-2 был дополнен до более полной поддержки возможностей процессора и теперь может легко конкурировать с режимом ARM. Основное количество приложений для iPod/iPhone/iPad скомпилировано для набора инструкций Thumb-2, потому что Xcode делает так по умолчанию. Потом появился 64-битный ARM. Это ISA снова с 4-байтными инструкциями, без дополнительного режима Thumb. Но 64-битные требования повлияли на ISA, так что теперь у нас 3 набора инструкций ARM: режим ARM, режим Thumb (включая Thumb-2) и ARM64. Эти наборы инструкций частично пересекаются, но можно сказать, это скорее разные наборы, нежели вариации одного. Существует ещё много RISC ISA с инструкциями фиксированной 32-битной длины — это как минимум MIPS, PowerPC и Alpha AXP. [Источник 3]
Выполнение инструкций
Компьютерная программа представляет собой последовательность команд, которые выполняются процессором. В то время как простые процессоры выполняют инструкции один за другим, суперскалярные процессоры способны выполнять несколько команд одновременно.
Программа может содержать специальные инструкций, которые передают выполнение инструкции, не идущей по порядку вслед за предыдущей. Условные переходы принимаются (выполнение продолжается по другому адресу) или нет (выполнение продолжается на следующей инструкции) в зависимости от некоторых условий.
Абсолютный и позиционно-независимый код
Позиционно-независимый код — программа, которая может быть размещена в любой области памяти, так как все ссылки на ячейки памяти в ней относительные (например, относительно счётчика команд). Такую программу можно переместить в другую область памяти в любой момент, в отличие от перемещаемой программы, которая хотя и может быть загружена в любую область памяти, но после загрузки должна оставаться на том же месте.
Возможность создания позиционно-независимого кода зависит от архитектуры и системы команд целевой платформы. Например, если во всех инструкциях перехода в системе команд должны указываться абсолютные адреса, то код, требующий переходов, практически невозможно сделать позиционно-независимым. В архитектуре x86 непосредственная адресация в инструкциях работы с данными представлена только абсолютными адресами, но поскольку адреса данных считаются относительно сегментного регистра, который можно поменять в любой момент, это позволяет создавать позиционно-независимый код со своими ячейками памяти для данных. Кроме того, некоторые ограничения набора команд могут сниматься с помощью самомодифицирующегося кода или нетривиальных последовательностей инструкций.
Хранение в памяти
Гарвардская архитектура представляет собой компьютерную архитектуру с физически разделенным хранением сигнальных путей для инструкций и данных. На сегодняшний день, в большинстве процессоров реализованы отдельные сигнальные пути для повышения производительности. Модифицированная Гарвардская архитектура поддерживает такие задачи, как загрузка исполняемой программы из дисковой памяти в качестве данных, а затем её выполнение. Гарвардская архитектура контрастирует с архитектурой фон Неймана, где данные и код хранятся в памяти вместе, и считываются процессором, позволяя компьютеру выполнять команды.
С точки зрения процесса, кодовое пространство является частью его адресного пространства, в котором код сохраняется во время исполнения. В многозадачных системах оно включает в себя сегмент кода программы и, как правило, совместно используемые библиотеки. В многопоточной среде различные потоки одного процесса используют кодовое пространство и пространство данных совместно, что повышает скорость переключения потока.
Связь с языками программирования
Ассемблерные языки
Гораздо более читаемым представлением машинного языка называется язык ассемблера, использующий мнемонические коды для обозначения инструкций машинного кода, а не с помощью числовых значений. Например, на процессоре Zilog Z80, машинный код 00000101, который дает указание процессору декрементировать регистр процессора B, будет представлен на языке ассемблера как DEC B.
Связь с микрокодом
В некоторых компьютерных архитектурах, машинный код реализуется с помощью более фундаментального базового слоя программ, называемых микропрограммами, обеспечивающими общий интерфейс машинного языка для линейки различных моделей компьютеров с самыми различными базовыми потоками данных. Это делается для облегчения портирования программ на машинном языке между различными моделями. Примером такого использования являются компьютеры IBM System/360 и их наследники. Несмотря на то, что ширина потоков данных разнится от 8 до 64 бит и более, тем не менее они представляют общую архитектуру на уровне машинного языка по всей линейке.
Использование микрокода для реализации эмулятора позволяет компьютеру симулировать совершенно другую архитектуру. Семейство System / 360 использовало это для портирования программ с более ранних машин IBM на новые семейства компьютеров, например на IBM 1401/1440/1460.
Связь с байткодом
Машинный код, как правило, отличается от байт-кода (также известного как р-код), который либо выполняется интерпретатором, или сам компилируется в машинный код для более быстрого исполнения. Исключением является ситуация, когда процессор предназначен для использования конкретного байт-кода как машинного, например, как в случае с процессорами Java. Машинный и ассемблерный код иногда называют собственным (внутренним) кодом ЭВМ, когда ссылаются на платформо-зависимые части свойств или библиотек языка. [Источник 4]
Примеры
Пример MIPS 32-bit инструкции
Набор инструкций MIPS – пример машинного кода с инструкциями фиксированной длины – 32 бита. Тип инструкции содержится в поле op (поле операции) – первые 6 бит. Например типы инструкций перехода или немедленных операций полностью определяются этим полем. Инструкции регистров включают дополнительное поле funct, для определения конкретной операции. Все поля, использущиеся в данных типах инструкций:
Rs,rt и rd – индикаторы задействования регистров, shamt – параметр сдвига,а поле address/immediate явно содержит операнд.
Пример: сложение значений в регистрах 1 и 2 и запись результата в регистр 6:
Пример: загрузка значения в регистр 8, взятое из ячейки памяти, находящейся на 68 ячеек дальше, чем адрес, находящийся в регистре 3:
Пример: переход к адресу 1024:
Пример для x86 (MS DOS) – “Hello, World!”
Программа «Hello, world!» для процессора архитектуры x86 (ОС MS-DOS, вывод при помощи BIOS прерывания int 10h) выглядит следующим образом (в шестнадцатеричном представлении):
BB 11 01 B9 0D 00 B4 0E 8A 07 43 CD 10 E2 F9 CD 20 48 65 6C 6C 6F 2C 20 57 6F 72 6C 64 21
Данная программа работает при её размещении по смещению 10016. Отдельные инструкции выделены цветом:
Кодирование информации в эвм (машинные коды)
Способы представления информации в ЭВМ, кодирование и преобразование кодов в значительной степени зависят от принципа действия устройств, в которых эта информация формируется, накапливается, обрабатывается и отображается.
Для кодирования Символьной или текстовой информации применяются различные системы: при вводе информации с клавиатуры кодирование происходит при нажатии клавиши, на которой изображен требуемый символ, при этом в клавиатуре вырабатывается так называемый scan-код, представляющий собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.
Номер нажатой клавиши никак не связан с формой символа, нанесенного на клавише. Опознание символа и присвоение ему внутреннего кода ЭВМ производятся специальной программой по специальным таблицам, например: ДКОИ, КОИ-7, ASCII (Американский стандартный код передачи информации). В настоящее время получил развитие 16-разрядный код Unicode, который позволяет одновременно закодировать все буквы всех известных языков. Для букв русского языка в нем предусмотрены коды 1040…1093. Впервые Unicode использовался в Windows NT.
Всего с помощью таблицы кодирования ASCII (рисунок 3.4) можно закодировать 256 различных символов. Эта таблица разделена на две части: основную и расширенную.
Рисунок 3.4 – Таблица кодирования текстовой информации ASCII
Первая половина таблицы стандартизована. Она не содержит управляющие коды. Эти коды из таблицы изъяты, так как они не относятся к текстовым элементам. Здесь же размещаются знаки пунктуации и математические знаки, большие и малые латинские буквы.
Вторая половина таблицы содержит национальные шрифты, символы псевдографики, из которых могут быть построены таблицы, специальные математические знаки. Нижнюю часть таблицы кодировок можно заменять, используя соответствующие драйверы – управляющие вспомогательные программы, что позволяет набор различных шрифтов.
Дисплей по каждому коду символа выводит на экран изображение символа – не просто цифровой код, а соответствующую ему картинку, так как каждый символ имеет свою форму.
Высвечивание символа на экране дисплея ЭВМ осуществляется с помощью точек, образующих символьную матрицу.
Каждый Пиксел в такой матрице является элементом изображения и может быть ярким или темным. Темная точка кодируется цифрой 0, светлая (яркая) – 1.
Кодирование аудиоинформации – процесс более сложный. Аудиоинформация является аналоговой. Для преобразования ее в цифровую форму используют аппаратурные средства: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в результате работы которых аналоговый сигнал оцифровывается – представляется в виде числовой последовательности. Для вывода оцифрованного звука на аудиоустройства необходимо проводить обратное преобразование, которое осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).
Кодирование числовой информации (машинные коды).
Прямой код двоичного числа образуется из абсолютного значения этого числа и кода знака (нуль или единица) перед его старшим числовым разрядом.
A10=+10 A2=+1010 [A2]П=0:1010;
B10=-15 B2=-1111 [B2]П=1:1111.
Двоеточием здесь отмечена условная граница, отделяющая знаковый разряд от значащих.
Обратный код двоичного числа образуется по следующему правилу. Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Обратный код отрицательного числа содержит единицу в знаковом разряде числа, а значащие разряды числа заменяются на инверсные, т. е. нули заменяются единицами, а единицы — нулями.
A10=+5 A2=+101 [A2]П=[A2]OK=0:101;
B10=-13 B2=-1010 [B2]OK=1:0010.
Свое название обратный код чисел получил потому, что коды цифр отрицательного числа заменены на инверсные. Укажем наиболее важные свойства обратного кода чисел:
– сложение положительного числа С с его отрицательным значением в обратном коде дает так называемую машинную единицу МЕок= 1: 111… 11, состоящую из единиц в знаковом и значащих разрядах числа;
– нуль в обратном коде имеет двоякое значение. Он может быть положительным – 0: 00…0 и отрицательным числом — 1; 11… 11. Значение отрицательного нуля совпадает с МЕок. Двойственное представление нуля явилось причиной того, что в современных ЭВМ все числа представляются не обратным, а дополнительным кодом.
Дополнительный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Дополнительный код отрицательного числа представляет собой результат суммирования обратного кода числа с единицей младшего разряда (2° — для целых чисел, 2-k — для дробных).
A10=+19 A2=+10011 [A2]П=[A2]OK=[A2]ДК=0:10011;
B10=-13 В2=-1101 [B2]ДК=[B2]OK+20=1:0010+1=1:0011.
Укажем основные свойства дополнительного кода:
– сложение дополнительных кодов положительного числа С с его отрицательным значением дает так называемую машинную единицу дополнительного кода:
МЕДК=МЕОК+20=10: 00…00, т. е. число 10 (два) в знаковых разрядах числа;
– дополнительный код получил такое свое название потому, что представление отрицательных чисел является дополнением прямого кода чисел до машинной единицы МЕдк.
Модифицированные обратные и дополнительные коды двоичных чисел отличаются соответственно от обратных и дополнительных кодов удвоением значений знаковых разрядов. Знак “+” в этих кодах кодируется двумя нулевыми знаковыми разрядами, а “-” – двумя единичными разрядами.
A10=9 A2=+1001 [A2]П=[A2]OK=[A2]ДК=0:1001
B10=-9 B2=-1001 [B2]OK=1:0110 [B2]ДК=1:0111
Целью введения модифицированных кодов являются фиксация и обнаружение случаев получения неправильного результата, когда значение результата превышает максимально возможный результат в отведенной разрядной сетке машины. В этом случае перенос из значащего разряда может исказить значение младшего знакового разряда. Значение знаковых разрядов “01” свидетельствует о положительном переполнении разрядной сетки, а “10” – об отрицательном переполнении. В настоящее время практически во всех моделях ЭВМ роль удвоенных разрядов для фиксации переполнения разрядной сетки играют переносы, идущие в знаковый и из знакового разряда.