Opkoodi (opcode): määritelmä ja käyttö konekoodissa

Op-koodi määrittää, mikä tietokoneen perusoperaatio käskykokonaisuudessa on suoritettava. Sitä käytetään kirjoitettaessa konekoodia. Op-koodi käskee prosessoria tekemään tietyn toimenpiteen — esimerkiksi lukemaan tai kirjoittamaan tietoa, laskemaan arvoja, siirtymään toiseen ohjelman kohtaan tai pysäyttämään suorituksen. Jokaisessa konekielisessä käskyssä on yleensä sekä op-koodi että operandit: op-koodi toimii kuin lauseen verbi ja operandit kuin lauseen objektit tai määreet. Operandit ovat tyypillisesti rekistereihin tai muistiin viittaavia arvoja tai välittömiä (immediate) lukuja.

Opkoodien esitystavat ja tallennus

Tietokoneen arkkitehtuurin luonteen vuoksi op-koodit ovat lopulta binäärilukuja, koska prosessori käsittelee bittejä. Ihmisille tarkoitettua lukemista ja kirjoittamista varten binäärikoodi esitetään usein heksadesimaalina (esimerkiksi binaarinen 10100101 voidaan esittää heksana A5). Nämä arvot muunnetaan tallentamista ja suoritusta varten edelleen bittejä sisältäväksi muotoon. Perinteisesti opkoodi saattoi viedä yhden tavun (8 bittiä), mutta nykyaikaisissa arkkitehtuureissa käskyjen pituus ja opkoodin koko voivat vaihdella; opkoodi voi olla useamman tavun mittainen ja sen yhteydessä voi olla lisäbajtteja esimerkiksi osoittimia, välittömiä arvoja tai etuliitteitä varten.

Osoitusmuodot ja operandit

Opkoodin lisäksi käskyissä on usein kenttiä, jotka kertovat operandien tyypin ja sijainnin. Yleisiä osoitusmuotoja ovat:

• Rekisteriosoite: operandina käytetään prosessorin sisäistä rekisteriä.
• Muistiosoite: käsky lukee tai kirjoittaa tietoa muistiin.
• Välitön arvo (immediate): käsky sisältää itse arvon, jota käytetään suoraan.
• Indeksoitu tai liukulinkitty osoitus: osoite muodostetaan rekisterin ja offsetin perusteella.

Monissa arkkitehtuureissa opkoodin jälkeen seuraa kenttä, joka kertoo operandien järjestyksen ja tyypin (esim. ModR/M-byte x86-arkkitehtuurissa). Näin sama opkoodi voi toimia eri tavoilla riippuen operandien määrityksestä.

RISC vs. CISC ja opkoodien määrä

Opkoodien tarjonta ja käskykokonaisuuden rakenne määräytyvät arkkitehtuurin (ISA, Instruction Set Architecture) mukaan. Koska opkoodit ovat laitteistoriippuvaisia, sama looginen toiminto voi olla eri arvoisena eri koneissa — esimerkiksi STORE-operaation opkoodi voi olla Hex-koodina FA yhdessä koneessa ja 02 toisessa koneessa.

Yleisesti ottaen käskykokonaisuuksia lähestytään kahdella pääfilosofialla:

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) — yksinkertaisempi ja rajoitetumpi määrä op-koodeja, mutta käskyt ovat yleensä yhtenäisiä ja suoritus on optimoitu nopeaksi ja pipelinetäytteiseksi.
• CISC (Complex Instruction Set Computer) — laajempi määrä erikoistuneita op-koodeja, jotka voivat suorittaa monimutkaisempia operaatioita yhdellä käskyllä; usein käskyt ovat vaihtelevan pituuden omaavia ja sisältävät monimutkaisempia osoitusmuotoja.

Ohjelmointi, assembler ja portabiliteetti

Ohjelmoijat käyttävät op-koodeja harvoin suorassa binäärimuodossa. Kun ohjelmoidaan suoraan konekielellä, ohjelman toiminta on sidottu siihen laitteeseen ja ISA:han, jota varten koodi on kirjoitettu. Siksi käytetään yleensä:

• Assembler-kieliä — assembler-ohjelma muuntaa ihmisen luettavat mnemonics (kuten MOV, ADD, JMP) vastaaviksi binäärisiksi op-koodeiksi. Ohjelmoijan ei tarvitse muistaa op-koodien binäärisia arvoja, vaan käyttää muistettavampia nimiä.
• Korkean tason ohjelmointikielitä — ohjelmakoodi kirjoitetaan esimerkiksi C:llä tai Pythonilla ja käännetään tai tulkataan vähitellen konekoodiksi. Kääntäjä/virittelyvaiheet tekevät ohjelmasta siirrettävämmän eri koneille.

Lisäksi virtualisointi ja emulointi voivat mahdollistaa sen, että konekoodia ajetaan eri laitteilla kääntämättä sitä uudelleen: emulaattori tulkitsee yhden arkkitehtuurin op-koodit toisen alustan ajettavaksi.

Opkoodiesimerkkejä ja käytännön huomioita

Tyypillisiä op-koodien mnemonisia nimiä ovat esimerkiksi ADD (yhteenlasku), SUB (vähennys), MOV tai LOAD (arvon siirto rekisteriin), STORE (arvon tallennus muistiin), JMP (hyppy), CALL ja RET (aliohjelman kutsu ja paluu), sekä NOP (ei mitään tekevä käsky). Nykyaikaisissa prosessoreissa on usein satoja eri käskyjä ja niiden eri muunnoksia.

Arkkitehtuureissa kuten x86 op-koodit voivat olla monimutkaisesti koodattuja: käsky voi sisältää etuliitteitä, itse op-koodibytin, ModR/M-bytin, mahdollisen SIB-bytin ja välittömiä arvoja. Toisissa, RISC-tyyppisissä arkkitehtuureissa käskyt ovat kiinteäpituaisia ja yksinkertaisemmin jäsenneltyjä, mikä helpottaa dekoodausta ja pipelinen hyödyntämistä.

Yhteenveto

Opkoodi on konekielen käskyn ydin: se määrittää suoritettavan toiminnon, kun taas operandit määrittävät, mitä arvoja tai osoitteita toiminnassa käytetään. Op-koodit ovat binäärisiä ja laitteistoriippuvaisia; niiden muoto ja määrä riippuvat käytetyn arkkitehtuurin suunnitteluperiaatteista (RISC vs. CISC). Käytännön ohjelmoinnissa op-koodien suora käyttö on harvinaista — niitä hallitaan yleensä assamblerin mnemonikkeina tai vielä korkeammalla tasolla olevien ohjelmointikielten avulla.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on opkoodi?

K: Mitä ovat operandit?

K: Kuinka monta yleistä opkoodia käytetään nykyaikaisissa tietokoneissa?

K: Miten opkoodit esitetään?

K: Kuinka pitkiä nykyaikaiset opkoodit ovat?

K: Mitä ovat RISC ja CISC?

K: Miten ohjelmoijat yleensä käyttävät opkoodeja?

Hae kirjaimella