MMIX (компьютер)

Эта статья — о архитектуре компьютера. О годе (MMIX в записи римскими цифрами) см. 2009.

MMIX (произносится эм-микс) — 64-битная RISC архитектура компьютера, разработанная Дональдом Кнутом с существенным вкладом Джона Геннеси и Ричарда Сайтса. По словам самого Дональда Кнута:

MMIX — компьютер, цель которого проиллюстрировать аспекты программирования на машинном уровне. В моих книгах Искусство программирования он заменяет MIX, машину стиля 1960-х годов, которая играла ту же роль. Я старался так проектировать MMIX, чтобы его машинный язык был простым, изящным, удобным для изучения. В то же время я старался включить все сложности, которые необходимы для достижения высокой эффективности на практике, так что MMIX может быть реально построен и даже может быть конкурентоспособным с некоторыми из самых быстрых компьютеров общего назначения на рынке.

Оригинальный текст  (англ.)  

MMIX is a computer intended to illustrate machine-level aspects of programming. In my books The Art of Computer Programming, it replaces MIX, the 1960s-style machine that formerly played such a role... I strove to design MMIX so that its machine language would be simple, elegant, and easy to learn. At the same time I was careful to include all of the complexities needed to achieve high performance in practice, so that MMIX could in principle be built and even perhaps be competitive with some of the fastest general-purpose computers in the marketplace.

Предназначен для обучения, весьма сходен с архитектурой Джона Геннесси и Дэвида Патерсона DLX из книги Компьютерная архитектура: количественный подход.

История создания

Когда в 1962 году Дональд Кнут приступил к написанию своей знаменитой серии книг Искусство программирования, ему необходимо было принять решение, какой язык программирования использовать. Чтобы раз и навсегда решить все возможные проблемы, а также сохранить возможность описывать в книге низкоуровневые структуры и алгоритмы, автор принял решение разработать собственный компьютер, предназначенный специально для обучения. Он получил название MIX.

Но в течение последующих трёх десятилетий в области компьютерных технологий произошли серьёзные изменения. MIX во многом устарел. Чтобы Искусство программирования продолжало оставаться актуальным источником информации, автор принял решение разработать новый компьютер — MMIX, который является аналогом компьютеров, завоевавших большую часть рынка в 90-х годах XX века.

Архитектура

MMIX — 64-битная архитектура компьютера, имеющая 256 64-битных регистров общего назначения и 32 64-битных регистра специального назначения. Имеет 32-битные инструкции и 64-битное адресное пространство. Набор инструкций компьютера MMIX включает 256 кодов команд, один из которых зарезервирован для возможности расширений в будущем. Реализует арифметику над числами с плавающей запятой согласно стандарту IEEE 754.

Инструкции

У каждой инструкции есть мнемоника. Например, инструкция 32 имеет мнемонику ADD. Большинство инструкций записываются в виде "OP X,Y,Z", где OP - мнемоника, X - обозначения регистра, в который будет записан результат инструкции, а Y и Z - обозначения операндов инструкции. При кодировании под каждое поле отводится по 8 бит.

Большинство инструкций могут принимать операнд регистр или непосредственное значение (immediate), поэтому одной мнемонике может соответствовать несколько опкодов.

Программы на MMIX обычно создаются на языке ассемблера MMIXAL. Пример программы на MMIXAL, выводящей текстовое сообщение "Hello, world":

Main    GETA  $255,string               ; Записать адрес string в регистр 255.
 
        TRAP  0,Fputs,StdOut            ; Вывести строку, адрес которой находится в
                                        ; регистре 255 в файл StdOut.
 
        TRAP  0,Halt,0                  ; Завершить процесс.
 
string  BYTE  "Hello, world!",#a,0      ; Строковая константа.
                                        ; #a символ перевода строки,
                                        ; 0 символ окончания строки.

Регистры

В процессоре MMIX имеется 256 регистров общего назначения, обозначаемых $0 .. $255; и 32 специальных архитектурных регистра.

Два специальных регистра, rL и rG, управляют разделением РОН на глобальные и локальные. Регистры из диапазона $0 ... ([rL] - 1) являются локальными. Регистры из диапазона [rL] ... ([rG]-1) называются "marginal registers". Они возвращают 0 при попытке чтения из них, но если использовать один из них в качестве назначения, то rL автоматически увеличится и использованный регистр станет локальным. Регистры из диапазона [rG] ... $255 являются глобальными и не сохраняются на регистровом стеке.

Специальные регистры

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Аппаратные реализации

По состоянию на 2008 год, MMIX ещё не был реализован аппаратно.

Программные инструменты

Набор инструкций компьютера MMIX поддерживается некоторыми программами для разработки программного обеспечения.

Эмуляторы и ассемблеры

• MMIXware — разработанный Дональдом Кнутом комплект программ, включающий в себя эмулятор, ассемблер MMIXAL, полную документацию, примеры программ и многое другое.

Компилятор

GNU Compiler Collection поддерживает компиляцию программ на языке C/C++ в целевую архитектуру MMIX.

• Инструкции по добавлению поддержки целевой архитектуры MMIX в GCC

См. также

• MIX
• Кнут, Дональд Эрвин

Ссылки

• Страница Дональда Кнута, посвящённая MMIX — введение в MMIX, также описывается причина использования Дональдом Кнутом в его книге Искусство программирования гипотетического компьютера.