命令を実行する

コンピュータの命令セットアーキテクチャ (ISA)において、実行命令は、データを機械命令として扱い、実行する機械語命令です。

これは、通常の順次実行、分岐、割り込みに続く、命令シーケンスの第4のモードと考えることができる。^[1]リピート命令と同様に他の命令に対して動作する命令であるため、メタ命令としても分類されている。^[2]

コンピュータモデル

1950年代から1960年代にかけて発表された多くのコンピュータ・ファミリには実行命令が含まれている：IBM 709 ^[1]およびIBM 7090（オペコード・ニーモニック：XEC）、^[3] IBM 7030 Stretch（EX、EXIC）、^[4]^[1] PDP -1 / -4 / -7 / -9 / -15（XCT）、^[5]^[6] UNIVAC 1100/2200（EXRI）、^[7] CDC 924（XEC）、^[8] PDP -6 / -10（XCT）、IBM System/360（EX）、^[9] GE -600 / Honeywell 6000（XEC、XED）、^[10] SDS -9xx（EXU）、^[11] SDS 92（EXU）、^[12]およびSDS Sigmaシリーズ（EXU）。^[13]

1970年代の設計には実行命令を含むものが少なく、Nuclear Data 812ミニコンピュータ（1971年）（XCT ） ^[14]、HP 3000（1972年）（XEQ）^[15]、Texas Instruments TI-990（1975年）^[16]とそのマイクロプロセッサ版であるTMS9900（1976年）（X）^[17]などである。Signetics 8X300（1976年）は、実行命令を備えた珍しいマイクロプロセッサ設計である。XECは、1〜255の命令のテーブルから1つの命令を実行する。ほとんどの命令は単一命令のサブルーチンとして動作するが、分岐を使用してジャンプテーブルを実装する。^[18]実行命令は1970年にPDP-11用に提案されたが^[19] 、その後継機であるVAXには実装されなかった^[20]。^[21]

現代の命令セットには、パイプライン、プリフェッチ、その他の最適化を妨げるため、実行命令は含まれていません。 ^[^要出典^]

セマンティクス

実行される命令、つまりターゲット命令は、レジスタ内にあるか、メモリからフェッチされます。アーキテクチャによっては、ターゲット命令自体を実行命令にできるものもありますが、できないものもあります。

ターゲット命令は、実行命令のメモリ位置にあるかのように実行されます。たとえば、サブルーチン呼び出し命令の場合、実行はサブルーチンに移され、戻り位置は実行命令の後の位置になります。ただし、一部のアーキテクチャでは、分岐を禁止する実行命令のバリアントを実装しています。 ^[1]

System/360は可変長ターゲット命令をサポートしています。また、ターゲット命令を実行する前に変更することもサポートしています。ターゲット命令は偶数バイトから始まる必要があります。^[9]

GE-600シリーズは、ダブルワード境界に揃えられた2つの命令シーケンスの実行をサポートしています。^[10]

一部のアーキテクチャでは、異なる保護およびアドレス再配置モードで動作する実行命令をサポートしています。たとえば、ITS PDP-10ページングデバイスは、メモリの読み取り、書き込み、またはその両方でユーザーモードページマッピングを使用できるようにする特権モードXCTR「再配置実行」命令をサポートしています。 ^[22]同様に、PDP-10のKL10バリアントは、特権命令PXCT「前のコンテキストXCT」をサポートしています。^[23]

実行命令は、ある実行命令が別の実行命令を指している場合などに、いくつかの問題を引き起こす可能性があります。

実行命令が実行の途中で中断されない場合、プロセッサは複数のクロックサイクルにわたって中断できないことがあります。
同様に、一連の実行命令が循環的で中断できない場合、プロセッサは無限ループに陥る可能性があります。
実行命令が異なるスワップページにある場合、命令を完了するにはすべてのページをスワップインする必要があり、スラッシングが発生する可能性があります。

マルチレベル間接アドレッシングモードでも同様の問題が発生します。

アプリケーション

実行命令にはいくつかの用途がある: ^[1]

通常のサブルーチン呼び出しのオーバーヘッドなしで単一命令サブルーチンとして機能する。その命令は必要に応じて完全なサブルーチンを呼び出すことができる。^[1]
遅延バインディング
- 名前による呼び出しやその他のサンクの実装。^[1]
- 実行ターゲットテーブルは、オブジェクトやクラスのメソッドや仮想関数の動的ディスパッチに使用できます。特に、メソッドや関数が単一の命令として実装できることが多い場合に使用されます。^[20]
- 実行ターゲットには、機能を追加したりデバッグしたりするためのフックが含まれる場合があります。これは通常、動的にオーバーライドできるNOPとして初期化されます。
- 実行ターゲットは、操作の高速バージョンと完全にトレースされたバージョンの間で変更される可能性があります。^[24]^[25]^[26]
トレース、監視、エミュレーション
- これにより、擬似プログラムカウンタが維持され、通常のプログラムカウンタは変更されない可能性がある。^[1]
特にメモリ保護によって実行可能コードが書き込み不可能な場合に、動的に生成されたコードを実行します。
自己書き換えコードをエミュレートする。特に再入可能または読み取り専用にする必要がある場合。^[19]
IBM System/360 では、実行命令はターゲット命令のビット 8 ～ 15 を変更できるため、固定引数 (長さフィールドなど) を持つ命令が可変引数を持つ命令に効果的に変換されます。
KL10 のような特権モード実行命令は、オペレーティングシステムカーネルによって、ユーザープロセスの仮想空間内でのブロックコピーなどの操作を実行するために使用されます。

注記

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[3] リファレンスマニュアル、IBM 7090 データ処理システム( PDF)。IBM 。1962 年 3 月。36 ページ。

[4] リファレンスマニュアル、7030 データ処理システム(PDF)。IBM 。1961年 8 月。p. 50。

[5] プログラムデータプロセッサ-1マニュアル(PDF) . Digital Equipment Corporation . 1961. p. 14.

[6] Supnik, Bob. 「DEC の 18b コンピュータのアーキテクチャの進化」(PDF)。p. 8 (ページ番号は示されていません)。

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[14] ND812 コンピュータのプログラミングの原則(PDF) . Nuclear Data, Inc. 1971. p. 4-4.

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[21] VAX MACRO および命令セットリファレンスマニュアル(PDF) . Compaq Computer Corporation . 2001 年 4 月 AA-PS6GD-TE.

[22] Holloway, J. (1970 年 2 月 20 日)。「ハードウェアメモ 2 - PDP-10 ページングデバイス」(PDF)。MIT AI ラボ。p. 11。

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[24] Gabriel, Richard P. (1985 年 8 月). LISP システムのパフォーマンスと評価(PDF) . MIT プレス. p. 32. ISBN 9780262070935。

[25] Pitman, Kent M.「PURE」。改訂版 Maclisp マニュアル、日曜朝版。

[26] Moon, David A. (1974 年 4 月). Maclisp リファレンスマニュアル(PDF) . リビジョン 0. p. 181.