บทที่ 8 - รูปแบบของคำสั่งและการบ่งตำแหน่งที่อยู่

รูปแบบของคำสั่งและการบ่งตำแหน่งที่อยู่

รหัสที่ใช้แทนอักขระ
ตัวอักษร ตัวเลขและสัญลักษณ์ หรือที่เรียกว่าอักขระในไมโครคอมพิวเตอร์จะแทนด้วยรหัสไบนารี ทุกครั้งที่เรากดแป้นพิมพ์ เช่น ปุ่มอักษร A ระบบก็จะรับอักษร A เข้าไปและแปลงเป็นรหัสไบนารี (เข้ารหัส) 1 ไบต์ เป็นต้น ในตารางที่ 8.1 แสดงมาตรฐานการใช้รหัสไบนารีแทนอักขระที่นิยมแพร่หลายในระบบไมโครคอมพิวเตอร์เรียกว่ารหัส ASCII (อ่านว่า แอสกี้) ย่อมาจาก American Standard Code for Interchange จะใช้แทนทั้งสระ พยัญชนะ ตัวเลข สัญลักษณ์ ทั่วไป และอักษรที่ใช้ควบคุม เช่น LF คือ Line Feed หมายถึงให้เลื่อนไปบรรทัดถัดไป เป็นต้น
จากตารางที่ 8.1 จะสังเกตเห็นว่าอักษรหรือสัญลักษณ์ 1 ตัวแทนได้ด้วยไบนารี 7 บิต แต่เนื่องจากระบบไมโครคอมพิวเตอร์จะใช้ 8 บิต (หรือ 1 ไบต์) เป็นมาตรฐาน ทำให้บิตเหลืออีก 1 บิต เป็นบิตสูงสุด (หมายถึงบิตซ้ายมือสุด) ซึ่งเราอาจให้บิตนี้เป็น 0 หรือ 1 ก็ได้

รูปแบบคำสั่ง
ไมโครโปรเซสเซอร์ไม่ว่าจะผลิตจากบริษัทไหนก็แล้วแต่ จะมีชุดคำสั่งประจำไมโคร-โปรเซสเซอร์เบอร์นั้น เช่น 8080 ของบริษัทอินเทลก็จะมีชุดคำสั่งเฉพาะของ 8080 ขณะที่ 6800 ของ โมโตโรลาก็จะมีชุดคำสั่งเฉพาะของ 6800 เป็นต้น คำสั่ง 8080 จะมาใช้กับ 6800 ไม่ได้และในทางกลับกัน คำสั่งของ 6800 จะใช้กับ 8080 ก็ไม่ได้ อย่างไรก็ดี ไม่ว่าจะเป็นคำสั่งของไมโครโปรเซสเซอร์เบอร์ใด พื้นฐานก็คือคำสั่งจะอยู่ในลักษณะไบนารี คำสั่งหนึ่งคำสั่งอาจประกอบด้วยไบต์เดียว สองไบต์ สามไบต์ หรือสี่ไบต์แล้วแต่กรณี ไบต์แรกของคำสั่งเรียกว่า โอเปอเรชันโค้ด (operation code)

องค์ประกอบของคำสั่งภาษาเครื่อง
ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ คำสั่งแต่ละคำสั่งจะอยู่ในรูปกลุ่มของบิต คำสั่งจะถูกแบ่งออกเป็นเขตข้อมูลหลายส่วนซึ่งใช้แสดงแทนองค์ประกอบแต่ละส่วน

ชนิดของคำสั่ง
คำสั่งในภาษาระดับสูง เช่น Pascal หรือ FORTRAN ตัวอย่างคำสั่ง เช่น
X = X + Y
ประโยคนี้บอกให้คอมพิวเตอร์นำค่าของตัวแปร Y บวกกับค่าที่เก็บในตัวแปร X แล้วเก็บผลลัพธ์ไว้ที่ X นักศึกษาอาจจะสงสัยว่า คำสั่งเช่นนี้เมื่ออยู่ในรูปแบบคำสั่งคอมพิวเตอร์แล้วจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร สมมุติว่าตัวแปร X และ Y อ้างอิงถึงข้อมูลที่ตำแหน่ง 513 และ 514 ตามลำดับ สมมติต่อไปว่าให้ใช้ชุดคำสั่งที่ง่ายต่อการทำความเข้าใจแล้ว ประโยคดังกล่าวจะถูกแปลเป็นคำสั่ง

ที่อยู่อ้างอิงในคำสั่งเครื่อง
วิธีการหนึ่งที่นิยมใช้ในการอธิบายสถาปัตยกรรมของเครื่องคอมพิวเตอร์ คือ การอธิบายจำนวนของ “ที่อยู่อ้างอิง” ในคำสั่งเครื่องแต่ละคำสั่ง วิธีการนี้ได้รับความนิยมน้อยลงเมื่อการออกแบบซีพียูมีความสลับซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ก็ยังคงเป็นวิธีการที่มีประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์ความแตกต่างของซีพียู
คำสั่งเครื่องแต่ละคำสั่ง มีความจำเป็นต้องอ้างอิงที่อยู่เป็นจำนวนเท่าใด คำสั่งเกี่ยวกับคณิตศาสตร์และตรรกะ มักจะต้องการการอ้างอิงที่อยู่ของตัวถูกดำเนินการ (Operand) มากกว่าคำสั่งชนิดอื่น โดยทั่วไปคำสั่งในกลุ่มนี้จะเป็นคำสั่งประเภท unary (ต้องการตัวถูกดำเนินการเพียงตัวเดียว) หรือ binary (ต้องการตัวถูกดำเนินการสองตัว) ดังนั้นจึงต้องการอ้างอิงถึงที่อยู่ของตัวถูกดำเนินการสูงสุดสองตัว ผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณจะต้องถูกนำไปเก็บไว้ในหน่วยความจำ จึงอาจต้องการอ้างอิงที่อยู่แห่งที่สามในแต่ละคำสั่งนั้น ประการสุดท้ายเมื่อการประมวลผลคำสั่งนั้นสิ้นสุดลง ก็มีความจำเป็นจะต้องอ้างอิงที่อยู่ของคำสั่งในลำดับต่อไป
ด้วยเหตุผลดังกล่าว ทำให้น่าเชื่อว่าคำสั่งแต่ละคำสั่งจะต้องการการอ้างอิงที่อยู่สี่แห่งด้วยกัน(ที่อยู่สำหรับตัวถูกดำเนินการสองตัว ที่อยู่สำหรับเก็บผลลัพธ์ และที่อยู่สำหรับคำสั่งต่อไป) ในทางปฏิบัติแทบจะไม่มีคอมพิวเตอร์เครื่องใดที่มีการอ้างอิงที่อยู่มากถึงสี่แห่ง คำสั่งส่วนใหญ่จะอ้างอิงที่อยู่จำนวนระหว่างหนึ่งถึงสามที่อยู่ต่อคำสั่ง และนำที่อยู่ของคำสั่งต่อไปใส่ไว้ในรีจิสเตอร์แยกต่างหาก (เรียกว่า Program counter) ซึ่งแยกออกจากรีจิสเตอร์ที่ใช้ในคำสั่งเครื่อง

ชนิดของตัวถูกดำเนินการ
คำสั่งเครื่องทำงานกับข้อมูลซึ่งสามารถแบ่งออกตามชนิดหรือประเภทได้ดังนี้
- ตำแหน่งที่อยู่ (address)
- ตัวเลข (Number)
- ตัวอักษร (Character)
- ข้อมูลตรรกะ (Logical data)
อันที่จริงตำแหน่งที่อยู่ก็เป็นข้อมูลชนิดหนึ่ง ในหลายกรณีมีการคำนวณเกิดขึ้นกับตัวถูกกระทำที่ถูกอ้างอิงในคำสั่งเครื่อง เพื่อกำหนดตำแหน่งที่อยู่ในหน่วยความจำหลัก หรือในหน่วยความจำเสมือน ในกรณีเช่นนี้ ตำแหน่งที่อยู่จะถูกคำนวณในลักษณะเดียวกันกับเลขแบบไม่มีเครื่องหมาย
ข้อมูลชนิดอื่นได้แก่ ตัวเลข ตัวอักษร และข้อมูลตรรกะ ซึ่งจะอธิบายถึงรายละเอียดในลำดับต่อไป นอกจากนี้แล้ว คอมพิวเตอร์บางเครื่องยังได้กำหนดข้อมูลหรือโครงสร้างข้อมูลชนิดพิเศษขึ้นใช้งาน เช่น ข้อมูลชนิดที่สามารถทำงานกับตัวถูกกระทำที่เป็นกลุ่มตัวอักษร (string) ได้โดยตรง

ข้อมูลตัวเลข
ภาษาเครื่องทุกชนิดจะมีข้อมูลชนิดตัวเลขไว้ใช้งาน แม้กระทั่งงานที่ไม่เกี่ยวข้องกับตัวเลขก็ยังมีความจำเป็นจะต้องใช้ตัวเลขมาช่วยในการนับ บอกความกว้างหรือขนาดของข้อมูล และอื่น ๆ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเลขที่ใช้ในทางคณิตศาสตร์ทั่วไป กับตัวเลขที่เก็บอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์คือ ตัวเลขคอมพิวเตอร์มีขนาดที่จำกัดเนื่องจากเหตุผลสองประการคือ ประการแรก ตัวเลขที่เก็บอยู่ในคอมพิวเตอร์นั้นถูกจำกัดขนาดด้วยรูปแบบที่ใช้อยู่ในเครื่องนั้น ประการที่สอง ในกรณีของเลขจำนวนจริงก็ถูกจำกัดขนาดด้วยระดับความเที่ยงตรงที่ต้องการนักพัฒนาโปรแกรมจึงต้องทำความเข้าใจในผลที่เกิดขึ้นจากการปัดเศษ การ overflow และการ underflow
ข้อมูลชนิดตัวเลขมักจะแบ่งออกเป็นสามชนิด คือ
- เลขจำนวนเต็ม (Integer of fixed point)
- เลขจำนวนจริง (Floating point)
- เลขฐานสิบ (Decimal point)
โดยธรรมชาติแล้วการทำงานภายในเครื่องคอมพิวเตอร์นั้นใช้เลขฐานทั้งหมด แต่ส่วนที่ต้องติดต่อกับผู้ใช้ที่เป็นมนุษย์นั้นจะจำเป็นจะต้องใช้เลขฐานสิบ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นที่จะต้อง

ข้อมูลตัวอักษร
รูปแบบข้อมูลที่ใช้งานทั่วไปคือตัวอักษร (text) หรือข้อความ (character string) ข้อมูลที่เป็นข้อความนั้น เป็นรูปแบบที่สะดวกสบายต่อคน แต่ในเวลาเดียวกันก็เป็นรูปแบบที่ไม่สามารถเก็บไว้ในคอมพิวเตอร์ หรือนำไปประมวลผลได้โดยง่าย เนื่องจากระบบดังกล่าวถูกออกแบบมาให้ทำงานกับเลขฐานสองเท่านั้น ดังนั้นจึงได้มีการประดิษฐ์รหัสสำหรับการเก็บข้อมูลตัวอักษรไว้ในคอมพิวเตอร์ รหัสแบบแรกที่ได้รับการออกแบบนำมาใช้งานคือ รหัสมอส (Morse code) ในปัจจุบันโค้ดรหัสที่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเรียกว่า International Reference Alphabet (IRA) ซึ่งมีชื่อเรียกในประเทศสหรัฐอเมริกาว่า รหัสแอสกี้ (ASCII) ดังแสดงตัวอย่างในตาราง 8.1 รหัส IRA ได้รับความนิยมนำไปใช้งานทั่วโลก ตัวอักษรแต่ละตัวในรหัสนี้ถูกแทนด้วยเลขฐานสองจำนวน 7 บิต ทำให้สามารถกำหนดสัญลักษณ์ได้ 128 แบบ ซึ่งเป็นจำนวนที่มากเกินพอสำหรับตัวอักษรที่สามารถพิมพ์ออกทางเครื่องพิมพ์ได้ รหัสส่วนหนึ่งจึงถูกนำไปใช้เป็นหรัสควบคุม (control characters) รหัสควบคุมบางส่วนถูกนำมาใช้ในการควบคุมลักษณะการพิมพ์ในแบบต่าง ๆ ในขณะที่รหัสที่เหลือถูกนำไปใช้ในการสื่อสารข้อมูล รหัส IRA จะถูกเก็บและเรียกใช้เป็นข้อมูลขนาด 8 บิตต่อตัวอักษรเสมอ โดยบิตที่ 8

ข้อมูลตรรกะ
โดยปกติข้อมูลแต่ละเวิร์ด หรือแต่ละหน่วยที่สามารถอ้างอิงได้ (เช่น ไบต์ halfword, และอื่น ๆ ) จะถือเสมือนหนึ่งว่าเป็นข้อมูลหน่วยเดียว แต่ในบางครั้งก็มีความจำเป็นจะต้องพิจารณาข้อมูลในแต่ละหน่วยนั้นครั้งละ 1 บิต ซึ่งจะมีค่าเป็น “0” หรือ “1” เมื่อข้อมูลถูกมองในลักษณะนี้เรียกว่าเป็นข้อมูลแบบตรรกะ
การมองข้อมูลครั้งละ 1 บิตมีประโยชน์สองประการ ประการแรก บางครั้งก็มีความจำเป็นจะต้องเก็บข้อมูลอาร์เรย์แบบบูลลีน หรือข้อมูลที่เป็นเลขฐานสองโดยตรง ซึ่งข้อมูลแต่ละตัวจะกินเนื้อที่เพียง 1 บิตเท่านั้น การเก็บข้อมูลแบบตรรกะจึงถูกนำมาใช้ในงานประเภทนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประการที่สอง ในบางครั้งก็มีความจำเป็นจะต้องจัดการกับข้อมูลธรรมดาครั้งละ 1 บิต ตัวอย่างเช่น ในการทำงานกับเลขจำนวนจริงโดยใช้ซอฟต์แวร์ จะต้องมีการเลื่อนตำแหน่งบิตข้อมูลเกิดขึ้น หรือในการแปลงเลขจากรหัส IRC เป็นรหัส BCD ก็ต้องอาศัยการเลื่อนบิตเช่นกัน
สังเกตว่าจากตัวอย่างทั้งสองที่ยกมานั้น ข้อมูลเดียวกันบางครั้งจะต้องอยู่ในรูปแบบตรรกะ บางครั้งก็อยู่ในรูปแบบของตัวเลข หรือตัวอักษร ชนิดของข้อมูลของหน่วยข้อมูลใด ๆ จะถูกกำหนดโดยชนิดของการกระทำที่เกิดขึ้นกับข้อมูลหน่วยนั้น ซึ่งจะไม่เกิดขึ้นในการทำงานของคำสั่งภาษาคอมพิวเตอร์ระดับสูง

การบ่งตำแหน่งที่อยู่
เมื่อ ซีพียู จะทำงานตามคำสั่ง ที่เขียนไว้ในหน่วยความจำ จะต้องนำคำสั่งจากหน่วยความจำถ่ายลงสู่ ซีพียูแล้วจึงจะประมวลผลตามวัฏจักรดังได้กล่าวมาแล้ว แต่ละคำสั่งจะมี ออปโค้ด เป็นไบต์แรก แล้วตามด้วยข้อมูลหรือตำแหน่งข้อมูลในไบต์ที่สองและสาม เมื่อซีพียู แปลรหัสออปโค้ดแล้วจะทราบว่า จะต้องไปนำข้อมูลจากที่ใดมาปฏิบัติต่อ เพื่อให้คำสั่งนั้นแล้วเสร็จ ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงวิธีต่าง ๆ ที่ซีพียูไปนำข้อมูลมาจากหน่วยความจำวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า การแบ่งตำแหน่งที่อยู่หรือ แอดเดรสซิงโหมด (Addressing mode)

การบ่งตำแหน่งทันที
การบ่งตำแหน่งทันที (immediate mode) เป็น รูปแบบของการบ่งตำแหน่งที่ง่ายที่สุดคือ ตัวถูกกระทำจะปรากฏอยู่ ในคำสั่งนั้น หรือค่าของตัวถูกกระทำปรากฏอยู่กับคำสั่ง หรือค่าของตัวถูกกระทำจะเขียนตามหลังคำสั่งตำแหน่งที่ติดต่อกัน ซึ่งหมายความว่า เราสามารถที่จะดึงตัวถูกกระทำจากหน่วยความจำได้ ในเวลาเดียวกันกับที่ดึงคำสั่ง (Instruction fetch) ขึ้นมาทำงาน ดังนั้นจึงประหยัดวงรอบของการของการอ้างอิงหน่วยความจำไปได้หนึ่งรอบ ข้อด้อยวิธีการนี้คือ ขนาด ตัวเลขถูกจำกัดโดยขนาดของฟิลด์ที่อยู่ (Address field ) ซึ่งในคำสั่งส่วนใหญ่มักจะ มีขนาดเล็ก (เช่น20 บิต) เมื่อเทียบกับข้อมูล ขนาดหนึ่ง เวิร์ด (ปกติยาว 32 บิต)

การบ่งตำแหน่งโดยตรง
รูปแบบที่จัดว่าง่ายอีกวิธีหนึ่งคือ การบ่งตำแหน่งโดยตรง (direct addressing) ซึ่งเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่จะบรรจุตำแหน่งจริงของตัวถูกกระทำเอาไว้ดังนี้
EA (Effective Address) = A
วิธีการนี้ได้รับความนิยมในการใช้งานกับคอมพิวเตอร์รุ่นแรก ๆ แต่ไม่เป็นที่นิยมใช้ในปัจจุบัน การประมวลผลจะต้องใช้วงรอบการอ้างอิงหน่วยความจำเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งรอบ โดยที่ไม่ต้องมีการคำนวณเพิ่มเติม ข้อด้อยประการสำคัญคือ ขอบเขตที่จำกัดในการอ้างอิงตำแหน่งข้อมูลในหน่วยความจำ

การบ่งตำแหน่งทางอ้อม
เนื่องจากวิธีการอ้างอิงโดยตรงนั้น ความยาวของเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่มักจะมีขนาดสั้นกว่าความยาวของหนึ่งเวิร์ดจึงทำให้ขอบเขตในการอ้างอิงข้อมูลลดลง การแก้ปัญหานี้ทำได้โดยการใช้ขอบเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ในการอ้างอิงถึงตำแหน่งเวิร์ดในหน่วยความจำที่เก็บตำแหน่งที่แท้จริงของข้อมูลเอาไว้ วิธีการนี้เรียกว่า การอ้างอิงทางอ้อม (indirect addressing) มีรูปแบบดังนี้
EA = (A)

เครื่องหมายวงเล็บในที่นี้ใช้ในความหมายว่า “ค่าที่เก็บอยู่ในตำแหน่งที่อ้างถึงโดย A (เขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ในคำสั่ง)” ข้อดีของวิธีการนี้คือ ถ้าเวิร์ดในหน่วยความจำมีขนาด N บิต จะทำให้ผู้ใช้สามารถอ้างอิงข้อมูลได้มากถึง 2N เวิร์ด ข้อเสียคือ คำสั่งประเภทนี้จะต้องอ้างอิงหน่วยความจำเพิ่มขึ้นอีก 2 วงรอบ จึงจะสามารถอ่านค่าตัวถูกกระทำและประมวลผลได้ นั่นคือหนึ่งวงรอบสำหรับอ่านเวิร์ดที่อ้างอิงถึงโดย A และอีกหนึ่งวงรอบสำหรับอ่านค่าข้อมูลที่แท้จริงที่เก็บอยู่ในตำแหน่งเวิร์ดที่ถูกระบุโดย A นั้น

การบ่งตำแหน่งผ่านรีจีสเตอร์
การอ้างอิงผ่านรีจีสเตอร์โดยตรง (register addressing) มีความคล้ายคลึงกับการอ้างอิงโดยตรง สิ่งที่แตกต่างกันก็คือ เขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ในคำสั่งเครื่องจะบรรจุหมายเลขของ รีจีสเตอร์ที่อ้างอิง แทนการกำหนดตำแหน่งที่อยู่ในหน่วยความจำ
EA = R
โดยปกติเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ที่กำหนดหมายเลขของรีจีสเตอร์นั้น จะมีขนาดระหว่าง 3 ถึง 5 บิต ทำให้สามารถอ้างอิงรีจีสเตอร์ได้ตั้งแต่ 8 ถึง 32 ตัว
ข้อได้เปรียบของการอ้างอิงรีจีสเตอร์โดยตรงได้แก่ (1) คำสั่งเครื่องต้องการพื้นที่ขนาดเล็กมากสำหรับการอ้างอิงหมายเลขรีจีสเตอร์ และ (2) ไม่ต้องเสียเวลาในการอ้างอิงหน่วยความจำเพื่ออ่านข้อมูลตัวถูกกระทำ เวลาที่ใช้ในการอ้างอิงข้อมูลในรีจีสเตอร์ที่เก็บอยู่ภายในตัวซีพียูนั้น น้อยกว่าเวลาที่ใช้อ้างอิงข้อมูลในหน่วยความจำมาก อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของวิธีการนี้คือมีพื้นที่สำหรับเก็บข้อมูลขนาดจำกัดมาก