Instruktion i datavetenskap: definition, instruktionsuppsättning och format

Inom datavetenskap är en instruktion en enskild operation i en processor som definieras av processorns instruktionsuppsättning.

Storleken eller längden på en instruktion varierar kraftigt, från så lite som 4 bitar i vissa mikrokontroller till flera multiplar av en byte i vissa VLIW-system (very long instruction word). De flesta moderna processorer som används i persondatorer, stordatorer och superdatorer har instruktionsstorlekar på mellan 16 och 64 bitar. I vissa arkitekturer, särskilt datorer med reducerad instruktionsuppsättning, har instruktionerna en fast längd som vanligtvis motsvarar arkitekturens ordstorlek.

På traditionella arkitekturer innehåller en instruktion en opkod som anger den operation som ska utföras, t.ex. "lägg till minnets innehåll i ett register", och noll eller flera operandspecifikatorer, som kan ange register, minnesplatser eller bokstavsdata. Operandspecifikatorerna kan ha adresseringslägen som bestämmer deras innebörd eller kan vara i fasta fält.

I VLIW-arkitekturer, som inkluderar många mikrokodarkitekturer, specificeras flera samtidiga operationer och operander i en enda instruktion.

Instruktioner specificeras sällan i sin maskinkodform; de kan specificeras av programmerare med hjälp av ett assembleringsspråk eller, vilket är vanligare, genereras av kompilatorer.

Det finns en annan mer allmän definition av en "instruktion" som inte bara är relaterad till processorns instruktionsuppsättning: En "instruktion" kan vara en representation av ett element i ett körbart datorprogram.

Instruktionsformat och fält

En typisk instruktion är uppbyggd av flera fält som var och en har en specifik funktion:

• Opkod (operation code) – identifierar vilken operation som ska utföras.
• Operandfält – anger vilka operand(er) som används, till exempel registernummer eller minnesadresser.
• Adresseringsbits – kan ange adresseringslägen eller modifierare (t.ex. indirekt, omedelbar, bas+offset).
• Prefix eller statusfält – används i vissa arkitekturer för att modifiera instruktionens beteende (t.ex. villkorlig exekvering, storleksangivelse).

Dessa fält kan vara fasta eller variabla i längd beroende på arkitekturen. I vissa instruktioner finns även inbäddade "immediates" (konstanta värden) direkt i instruktionen.

Adressseringslägen

Adressseringslägen bestämmer hur operandens värde ska tolkas och hämtas. Vanliga lägen är:

• Registeradressering – operand finns i ett register.
• Omedelbar (immediate) – operand är en konstant kodad i instruktionen.
• Direkt/minnesadress – instruktionen innehåller en minnesadress.
• Indirekt – instruktionen anger en plats (t.ex. ett register) som i sin tur pekar på operanden i minnet.
• Bas+offset/Index – används för att beräkna adressen med hjälp av register och konstanta offset.
• Stackbaserad – operand tas från stacken (vanligt i vissa virtual machines och äldre arkitekturer).

Längd, kodning och exempelarkitekturer

Instruktionslängd och kodningsregler påverkar både kompakthet och enkelheten i dekodning:

• I RISC-arkitekturer (till exempel MIPS, många ARM-lägen) är instruktionerna ofta av fast längd vilket förenklar pipeline och dekoder.
• I CISC-arkitekturer (till exempel x86) är instruktionerna ofta variabla i längd vilket kan ge mer kompakt kod men försvåra dekodning och pipeline.
• Vissa arkitekturer erbjuder både korta och långa former (t.ex. ARM/Thumb) för att balansera kompakt kod mot prestanda.

Observera att olika familjer använder olika fältindelningar (t.ex. R-type, I-type och J-type i MIPS-litteratur) för att strukturera opkod och operandfält.

Mikroarkitektur: fetch, decode och exekvering

En instruktion går normalt igenom flera steg i processen att exekveras:

• Fetch – hämta instruktionen från instruktionsminnet eller cache.
• Decode – tolka opkoden och identifiera operandfält samt eventuella prefix.
• Operandhämtning – läsa register eller minne.
• Exekvering – utföra operationen i ALU, FPU eller annan enhet.
• Skriv tillbaka – lagra resultat till register eller minne.

Moderna processorer använder pipelining, superskalaritet, out-of-order-execution och andra tekniker som gör att en instruktion kan delas upp i flera mikrooperationer (micro-ops) och exekveras parallellt. Detta ställer krav på instruktionens kodning och på hårdvarans förmåga att hantera beroenden och störningar (hazards).

Avancerade instruktionstyper och funktioner

Utöver enkla aritmetiska och logiska instruktioner finns många specialiserade typer:

• Kontrollflödesinstruktioner – hopp, anrop, retur och villkorliga hopp.
• Systeminstruktioner – privilegierade operationer för att byta kontext, hantera undantag eller manipulera systemregister.
• Vektor- och SIMD-instruktioner – för parallell bearbetning av flera dataelement (t.ex. multimedia- och vetoriella operationer).
• Atomiska instruktioner – används för synkronisering i flertrådade miljöer.
• Prediktion och villkorlig exekvering – minskar behovet av hopp genom att villkorligt aktivera instruktioner.
• Mikrokod och mikroprogram – i vissa CISC-processorer implementeras komplexa instruktioner som sekvenser av enklare interna mikroinstruktioner.

Programmering, verktyg och representation

Programmerare skriver sällan rå maskinkod. Istället används:

• Assembler – översätter mänskligt läsbara mnemonics till maskinkod.
• Kompilatorer – översätter högnivåspråk till assembler eller direkt till maskinkod och optimerar för att utnyttja instruktioner och arkitekturens resurser.
• Linkers och körbara format – paketerar instruktioner i körbara filer (t.ex. ELF, PE) tillsammans med data och metadata.
• Disassemblering och debugging – verktyg som återger maskinkod till mnemonics för analys.

Säkerhet och felhantering

Instruktioner kan utlösa undantag (exceptions) eller avbrott (interrupts) — till exempel för division med noll, otillåten minnesåtkomst eller systemanrop. Vissa instruktioner är endast tillgängliga i högre privilegienivåer (kernel-mode) för att skydda systemets integritet.

Sammanfattning

En instruktion är grundstenen i processorers arbete: den specificerar en enda operation enligt processorns instruktionsuppsättning. Instruktionsformat, längd, adresseringslägen och mikroarkitekturens hantering av dem påverkar prestanda, kodstorlek och komplexitet i både hårdvara och mjukvara. Förståelsen av instruktioner och deras egenskaper är central både för systemnära programmering och för design av effektiva processorer.

Frågor och svar

F: Vad är en instruktion i datavetenskap?

F: Hur långa kan instruktioner vara?

F: Vad ingår i en instruktion?

F: Hur specificeras vanligtvis instruktioner?

F: Finns det en annan definition av "instruktion"?

F: Är alla instruktioner lika stora?

Sök med bokstav