Минималистичная архитектура процессоров

Минималистичная архитектура процессоров представляет собой интересный подход к проектированию вычислительных систем, фокусируясь на минимизации набора инструкций процессора. Такие архитектуры, как правило, являются учебными инструментами, которые помогают понять фундаментальные принципы работы компьютеров. В этой статье мы рассмотрим концепцию OISC (One Instruction Set Computer), особенно модель SUBLEQ (Subtract and Branch if Less than or Equal to Zero), и приведем примеры кода на языке программирования D.

Теоретические основы

OISC

OISC, или компьютер с одним набором инструкций, — это архитектура процессора, использующая всего одну инструкцию для выполнения всех операций. Основная идея заключается в том, что любая вычислительная задача может быть выполнена с помощью одной единственной инструкции, что упрощает дизайн процессора и иллюстрирует основные принципы работы вычислительных машин.

Модель SUBLEQ

Одной из наиболее изучаемых моделей OISC является SUBLEQ (Subtract and Branch if Less than or Equal to Zero). Эта модель использует только одну инструкцию, которая выполняет следующие операции:

1. Вычитает значение по адресу B из значения по адресу A.
2. Записывает результат обратно в адрес A.
3. Если результат меньше или равен нулю, переходит по адресу C, иначе продолжает выполнение следующей инструкции.

Формально, инструкцию можно записать как:

SUBLEQ A, B, C

Где:

• A, B, C — адреса в памяти.

Пример работы SUBLEQ

Рассмотрим пример работы инструкции SUBLEQ. Пусть у нас есть три ячейки памяти:

A: 5
B: 3
C: 2

Инструкция SUBLEQ A, B, C выполняет следующие шаги:

1. Вычитает значение в ячейке B (3) из значения в ячейке A (5), результат 2.
2. Записывает результат 2 обратно в ячейку A.
3. Поскольку результат (2) не меньше и не равен нулю, переход не осуществляется, и выполнение продолжается с следующей инструкции.

Примеры реализации на языке D

Инициализация памяти

Начнем с инициализации памяти и определения инструкции SUBLEQ на языке D.

import std.stdio;

void main() {
    int[] memory = [5, 3, 0]; // Инициализация памяти: A = 5, B = 3, C = 0
    subleq(memory, 0, 1, 2);  // Выполнение инструкции SUBLEQ
    writeln(memory);          // Вывод состояния памяти
}

void subleq(int[] mem, int a, int b, int c) {
    mem[a] -= mem[b];
    if (mem[a] <= 0) {
        // Переход к адресу C
    }
}

Циклическое выполнение инструкций

Теперь добавим цикл для выполнения нескольких инструкций SUBLEQ.

import std.stdio;

void main() {
    int[] memory = [5, 3, 2, 0]; // Память с несколькими инструкциями
    int pc = 0; // Счетчик команд (program counter)

    while (pc < memory.length) {
        int a = memory[pc];
        int b = memory[pc + 1];
        int c = memory[pc + 2];
        pc = subleq(memory, a, b, c, pc);
    }

    writeln(memory); // Вывод состояния памяти
}

int subleq(int[] mem, int a, int b, int c, int pc) {
    mem[a] -= mem[b];
    if (mem[a] <= 0) {
        return c;
    } else {
        return pc + 3;
    }
}

В этом примере мы добавили счетчик команд (PC) и цикл, который выполняет инструкции до конца массива памяти.

---

---