Mis on opkood? Masinakeele definitsioon ja näited

Mis on opkood? Lihtne selgitus masinakeelest: opkoodid, binaar/heksa esitus, RISC vs CISC, praktilised näited ja näpunäited programmeerijale.

Operatsioonikoodiga määratakse kindlaks, millist arvutipõhist operatsiooni käsukomplektis tuleb sooritada. Opkood (inglise keeles opcode) on masinakeelse käsu osa, mis ütleb protsessorile, mida teha — näiteks lisada kaks registri väärtust, liigutada andmeid mällu, võrrelda väärtusi või peatada programm. Igal masinakeelsel käsklusel on tavaliselt nii op-kood kui ka operandid: opkood toimib lause verbina ja operandid on nagu lause subjektid (tavaliselt registri nimed või mäluaadressid).

Opkoodi struktuur ja kodeerimine

Opkoodid on arvuti arhitektuuri tõttu esitatud binaarses vormis. Inimesele on sageli mugavam neid näha heksadetsimaalsena (näiteks 10100101 = A5) — nii on lihtsam lugeda ja kirjutada masinkoodi käsitsi või emulaatoris. Kui kirjutatakse masinkoodi, salvestatakse loodud väärtused tegelikult nende binaarsetena mälus. Kaasaegsed opkoodid võtavad tavaliselt vähemalt 1 baiti (2 heksamärki), kuid arhitektuurid võivad kasutada nii fikseeritud kui ka muutuvat käsupikkust:

• fikseeritud pikkusega käsud — iga käsk on sama pikk, lihtsustab dekodeerimist;
• muutuva pikkusega käsud — mõnikord on opkood ise üks bait, millele võib järgneda opereerivate operandite, aadresside või prefiksite jadad; see võimaldab rohkem funktsioone, kuid muudab dekodeerimise keerukamaks.

Operaandid ja aadressimisviisid

Opkood ei tee tööd iseenesest — sellele järgivad operaandid, mis määravad, millele käsk rakendub. Operaandid võivad olla:

• registrid (nt ACC, R0, R1),
• mäluaadressid (otsene või kaudne aadressimine),
• vahetu (immediate) väärtus,
• tingimuslikud märgendid või lükked (offsetid).

Adressimisviisid (näiteks otsene, kaudne, indeksaadressimine) mõjutavad nii seda, kuidas operandid kodeeritakse käsklusse, kui ka opkoodi ja käsu pikkust.

Näited ja tüüpilised opkoodid

Opkoode kasutatakse masinkoodis mitmete funktsioonide jaoks: registrite liitmine (ADD), väärtuse moved (MOV või LOAD/STORE), väärtuste nihutamine (SHIFT), võrdlemine (CMP), tingimuslikud hüpped (JMP/CALL/RET) ja programmi peatamine (HALT). Kaasaegsetes protsessorites on sõna otseses mõttes sadu võimalikke opkoode ja alamvariantidega süntaktilisi laiendusi (nt eri operandid, suurused ja prefiksid).

Oluline on mõista, et opkoodide täpne binaarkood ja saadavus sõltuvad riistvarast — sama nimeline operatsioon (näiteks STORE) võib ühe masina opkoodina olla FA ja teise puhul 02. Mõned opkoodid üldse ei eksisteeri või on lubatud ainult mõnes instruktioonikomplektis.

RISC vs CISC

Üldiselt on käsukogumite kujundamisel kaks põhilist filosoofiat:

• Vähendatud käsukogumiga arvuti (RISC) — vähem ja lihtsamad opkoodid, iga käsk on reeglina kiire ja lihtne dekodeerida/sooritada;
• Kompleksne käsukomplektiga arvuti (CISC) — rohkem opkoode ja keerukamaid üksikuid käske, mis võivad sooritada keerukamaid operatsioone ühe käsuga.

Programmeerimine opkoodidega

Programmeerijad kasutavad opkoode harva otse. Kui need kirjutatakse otse mällu, töötavad need ainult konkreetse arhitektuuri puhul. Tavaliselt kirjutavad programmeerijad assembleri keeles, kus iga käsk vastab mnemoonilisele kujule (nt ADD R1, R2) ning assembler teisendab need üks-ühele masinakeelseteks käskudeks. Programmeerija peab meeles pidama mnemoonikat, mitte binaarväärtust — seetõttu kasutatakse ka mnemoonikat opkoodide tähistamiseks.

Veel mugavam on kasutada kõrgema taseme programmeerimiskeeli (C, Java jms), mille kompilaator ja linkija teisendavad programmi lõpuks masinkoodiks. Sellisel viisil saab sama programm töötada paljudes erinevates arvutites (kui kompileerida iga arhitektuuri jaoks eraldi).

Täpsemad mõisted

• Endianus: kuidas mitmebajtilised väärtused mällu salvestatakse (big-endian vs little-endian) ei muuda opkoodi tähendust, kuid mõjutab andmete tõlgendamist operandites.
• Prefiksid ja laiendid: mõned arhitektuurid kasutavad prefiksbaite opkoodi ees, et muuta käsku (nt operandite suurus või aadressimõõt).
• Mikrokood: keerukate CISC-instruktsioonide puhul võib opkood dekodeeruda mitmeks madalama taseme mikrooperatsiooniks, mida protsessori juhtloogika sooritab.
• Privileegid ja turvalisus: terved hulk instrukt­sioone võivad olla ligipääsetavad ainult kernelirežiimis (privileged), et vältida süsteemi destabiliseerimist kasutaja rakenduste poolt.

Opkoodid emulaatorites ja diagnostikas

Emulaatorid ja detektorid kasutavad opkoode, et jäljendada konkreetset protsessori käitumist. Sagedane on opkoodide kuvamine heksadetsimaalsena koos mnemoonika ja operandite tõlgendusega — see aitab vigade otsimisel, jõudluse analüüsil ja retro-arhitektuuride uurimisel.

Kokkuvõtteks: opkood on masinkäsu tuum — binaarne kood, mis määrab protsessori tegevuse. Selle täielik tähendus selgub koos operandite, aadressimisviiside ja arhitektuurispetsiifiliste reeglitega. Kuigi opkoode kasutatakse riistvara tasemel, on tänapäeval enamasti mugavam töötada mnemooniliste assemblerikeelte või kõrgemate programmeerimiskeelte abil.

Küsimused ja vastused

K: Mis on opkood?

K: Mis on operandid?

K: Mitu tavalist opkoodi kasutatakse tänapäeva arvutites?

K: Kuidas on opkoodid esitatud?

K: Kui pikad on kaasaegsed opkoodid?

K: Mis on RISC ja CISC?

K: Kuidas kasutavad programmeerijad tavaliselt opkoode?

Otsing