Opkod (maskinkod) – definition, exempel och funktion i CPU:n

En opkod (operation code) identifierar vilken grundläggande datoroperation i instruktionsuppsättningen som ska utföras. Den används när man skriver maskinkod och talar om för datorn att göra något specifikt. Varje maskinspråksinstruktion består vanligtvis av minst en opkod och eventuella operander: opkoden fungerar som ett verb i en mening och operanderna som subjekt eller objekt. Operanderna är ofta register- eller minnesadresser, omedelbara värden eller flaggor som modifierar operationen.

Format och representation

På grund av datorns hårdvara representeras opkoder i binärt. För att förenkla läsning och felsökning skrivs de ofta i hexadecimal form (t.ex. binärt 10100101 = hex A5). Dessa hexadecimala värden översätts i hårdvaran till sina binära motsvarigheter när instruktionen körs. Moderna opkoder kan ha olika längd:

Enkel, fasta-length-arkitekturer (t.ex. många ARM-arkitekturer) använder ofta 4 byte per instruktion i ARM-läge och 2 byte i Thumb-läge.
Variabla längder (t.ex. x86) kan ha opkoder som är 1–15 byte långa, med prefix, opkodbyte(n), ModR/M- och SIB-byten samt eventuella omedelbara data.
I enklare processorer kan en opkod vara så kort som 1 byte (2 hex-tecken) men i praktiken kan hela instruktionen ta fler byte beroende på operander och adresslägen.

Operander och adresseringslägen

En instruktion består ofta av opkod plus operander som specificerar var data ska hämtas eller skrivas. Vanliga typer av operander och adresseringslägen är:

Register – operanden ligger i ett CPU-register.
Direkt/minnesadress – operanden finns på en specifik minnesplats.
Indirekt adress – register innehåller pekare till minnet.
Omedelbart värde – ett konstant värde inbäddat i instruktionen.
Indexerat/skalärt – kombinationer av basregister, indexregister och offset.

Vilka adresseringslägen som stöds och hur mycket utrymme de kräver beror på instruktionsuppsättningen och den underliggande hårdvaran.

Instruktionsuppsättningar: RISC vs CISC

Opkoder varierar mellan olika processorfamiljer eftersom de är hårdvaruberoende. Två övergripande designfilosofier är vanliga:

RISC (reduced instruction set computer) – färre, enklare opkoder med oftast fast instruktionslängd. Målet är snabbare exekvering och enklare pipeline/decodning. (Se även reducerad instruktionsuppsättning (reduced instruction set computer).)
CISC (complex instruction set computer) – fler och mer komplexa opkoder som ibland utför avancerade operationer i en enda instruktion. Dessa kan ge kortare programkod men kräver mer komplicerad avkodning och ibland mikroprogram (microcode).

Som konsekvens kan samma logiska operation (t.ex. "STORE") ha helt olika opkodsvärden på två olika maskiner — exempelvis 0xFA på en och 0x02 på en annan — eller saknas helt beroende på arkitekturen.

Hur CPU:n använder opkoder

När en CPU kör ett program hämtas instruktionen från minnet (fetch) och skickas till avkodaren (decode). Avkodaren tolkar opkodsdelarna och bestämmer vilken enhet som ska utföra operationen (ALU, FPU, minnesenhet osv.). I mer komplexa processorer kan avkodningen innebära:

uppslag i opkodstabeller eller mikroprogram (microcode)
hantering av prefix och modifikationsbitar
beräkning av effektiva adresser för operander
initiering av pipeline-steg så att exekvering, åtkomst till minne och skrivning av resultat sker effektivt

I pipelinede CPU:er spelar avkodningsfasen en viktig roll för att hålla hög throughput; komplicerade opkoder kan kräva flera cykler att avkoda och därmed påverka prestanda.

Exempel och vanliga opkoder

Till vardags arbetar programutvecklare sällan direkt med råa binära opkoder. I stället används mnemoniska symboler i assemblerspråk som en assembler översätter till respektive maskinkod. Exempelvis motsvaras ett mnemoniskt ADD eller MOV av en särskild opkod samt eventuella följande byte för operander.

Ett enkelt exempel i notation: binärt 10100101 = hex A5 (samma värde, olika baser).
I x86-arkitekturen är NOP (no operation) vanligtvis 0x90 och HLT (halt) 0xF4, men många instruktioner kräver fler än ett byte och använder extra bytes för att beskriva register och adresser.
I många ARM-arkitekturer är grundinstruktioner 32 bitar långa i ARM-läge (4 byte) och 16 bitar i Thumb-läge (2 byte), vilket förenklar avkodningen eftersom längden är förutsägbar.

Programmering och portabilitet

När programmerare skriver i assembler översätter ett översättningsprogram (assembler) mnemoniska instruktioner till exakta opkoder och operander. Detta gör koden lättare att skriva och läsa — programmeraren behöver oftast bara komma ihåg en mnemonisk beteckning för varje opkod i stället för dess binära värde. Alternativt använder man högnivåspråk (t.ex. C, Java) där kompilatorer och länkningsprocesser i flera steg omvandlar källkod till maskinkod, vilket möjliggör att samma program kan köras på olika maskiner via plattformsberoende kompilerare eller virtuella maskiner.

Sammanfattning

En opkod är den bit av en maskininstruktion som anger vilken operation CPU:n ska utföra. Opkoder representeras i binärt (ofta skrivna i hex för läsbarhet), varierar i längd och format mellan olika arkitekturer och kombineras med operander för att bilda fullständiga instruktioner. Hur opkoder ser ut och hur de tolkas beror på designval i instruktionsuppsättningen (t.ex. RISC eller CISC) och på den specifika processorns implementation.

Frågor och svar

Fråga: Vad är en opcode?

S: En opcode är ett binärt tal som anger vilken grundläggande datoroperation i instruktionsuppsättningen som ska utföras. Det används när man skriver maskinkod och talar om för datorn vad den ska göra.

F: Vad är operander?

S: Operanderna är vanligtvis minnes- eller registeradresser som åtföljer en operativ kod i en maskinspråksinstruktion. De kan ses som subjektet i en mening, medan opkoden fungerar som ett verb.

F: Hur många vanliga opkoder används i moderna datorer?

S: Det finns hundratals vanliga opkoder som används i moderna datorer.

F: Hur representeras opkoder?

S: Opkoder kan representeras av antingen binära tal eller hexadecimala siffror för att underlätta läsning och kodning när man utformar eller emulerar ett program med maskinkod.

F: Hur långa är moderna opkoder?

S: Moderna opkoder är minst två hexadecimala tecken långa och tar upp 1 byte av lagringsutrymme.

F: Vad är RISC och CISC?

Svar: RISC (Reduced Instruction Set Computing) erbjuder färre möjliga opkoder för att öka hastigheten för enkla processer, medan CISC (Complex Instruction Set Computing) erbjuder fler opkoder för att öka hastigheten för komplexa processer.

F: Hur använder programmerare vanligtvis opkoder?

S: Programmerare använder sig sällan av direktprogrammering i minnet med en enskild dators specifika uppsättning instruktioner, utan skriver program med hjälp av assembleringsspråk eller högnivåprogramspråk som omvandlas till maskinkod när programfilen läses så att den kan fungera på flera olika typer av datorer.