Машинное слово

Для термина «слово» см. также другие значения.

В вычислительной и иной программируемой технике машинным словом называется единица данных, которая выбрана естественной для данной архитектуры процессора.

Определение

Машинное слово есть фрагмент данных фиксированного размера, обрабатываемый как единое целое с помощью набора команд или аппаратного обеспечения процессора. Количество бит в машинном слове — размер слова (он же ширина или длина слова) — является важной характеристикой любой конкретной архитектуры процессора или компьютерной архитектуры.

Размер машинного слова отражается во многих аспектах структуры и работы компьютера. Большинство регистров в процессоре обычно имеют размер равный размеру машинного слова, и наибольшая часть данных, которая может быть передана в рабочую память и из неё за одну операцию, является машинным словом во многих (не во всех) архитектурах. Наибольший возможный размер адреса, используемый для адресации памяти (как правило побайтной), обычно представляет собой аппаратное слово (здесь «аппаратное слово» означает полноразмерное натуральное слово процессора, в отличие от любого иного используемого определения).

История

На ранних компьютерах встречалась длина машинного слова, которая была довольно разной. В те времена компьютеры делились на бизнес-ориентированные и научно-технические. В бизнес-ориентированных компьютерах, занимавшихся экономическими и бухгалтерскими расчётами, не требовалась высокая точность вычислений, так как суммы всегда округлялись лишь до двух сотых. В научных же вычислениях наиболее часто проводятся операции с вещественными числами и точность вычислений (количество знаков после запятой/дробной точки) очень важна. Так как модули памяти для ранних компьютеров стоили дорого, выбор длины машинного слова напрямую влиял как на точности вычислений, выполняемых компьютером, так и на его стоимости. 48-битное машинное слово в научно-технических компьютерах пользовалось большой популярностью, потому что 32-битное слово позволяло выразить вещественные числа с 6−7 знаками после запятой, что было недостаточно из-за накопления ошибки округления при сложных расчётах (особенно инженерных), а 64-битное слово с 15−16 знаками после запятой выходило далеко за рамки требований к точности. 48-битное слово позволяло выразить вещественное число с 10 знаками после запятой (считалось приемлемым для научных и инженерных вычислений того времени).

В 1950−1960-х годах во многих компьютерах длина слова была кратна 6 битам. Тогда использовалась шестибитная кодировка, — для представления всех цифр и всех букв латинского алфавита, включая дополнительные буквы западноевропеских языков и некоторых греческих букв достаточно было 6 бит: $2^{6}=64$ возможных комбинации позволяли закодировать 32 символа в одном (верхнем) регистре, 10 цифр и некоторые символы пунктуации.

Позднее требования к точности научных и инженерных вычислений возросли, и в 1974 году появилась первая машина с 64-битным словом — суперкомпьютер Cray-1.

В подавляющем большинстве современных компьютеров длина слова в битах равна степени двойки. При этом наиболее часто используются 8- и 16-битные символы.

На ранних компьютерах слово было минимально адресуемой ячейкой памяти. Ныне минимально адресуемой ячейкой памяти всегда является байт, а слово состоит из нескольких байтов. Это приводит к неоднозначному толкованию размера слова. Например, на процессорах 8086 и их потомках «словом» традиционно называют 16 бит (2 байта), хотя эти процессоры могут одновременно обрабатывать и более крупные блоки данных.

В общем случае слово длиной $n$ бит принимает беззнаковые целочисленные значения от 0 до $2^{n}-1$ включительно с общим количеством самих значений $2^{n}$.

Размер машинного слова на различных архитектурах

Год	Архитектура	Размер слова (w) в битах	Размер целого	Размер чисел с плавающей запятой	Размер инструкции
1952	IBM 701	36	½w, w	—	½w
1954	IBM 704	36	w	w	w
1960	PDP-1	18	w	—	w
1960	CDC 1604	48	w	w	½w
1961	GE-200	20	w	(2w)	w
1964	CDC 6600	60	w	w	¼w, ½w, w
1965	IBM 360	32	½w, w, 1d … 31d	w, 2w	½w, w, 1½w
1965	PDP-8	12	w	—	w
1968	БЭСМ-6	48	w	w, 2w	½w
1970	IBM 370	32	½w, w, 1d … 31d	w, 2w, 4w	½w, w, 1½w
1970	PDP-11	16	½w, w	2w, 4w	w, 2w, 3w
1971	Intel 4004	4	w, d	—	2w, 4w
1972	Intel 8008	8	w, 2d	—	w, 2w, 3w
1974	Intel 8080	8	w, 2w, 2d	—	w, 2w, 3w
1975	Cray-1	64	24 b, w	w	¼w, ½w
1975	MOS Tech. 6501 MOS Tech. 6502	8	w, 2d	—	w, 2w, 3w
1976	Zilog Z80	8	w, 2w, 2d	—	w, 2w, 3w, 4w
1978 (1980)	Intel 8086 (w/Intel 8087)	16	½w, w, 2d (w, 2w, 4w)	— (2w, 4w, 5w, 17d)	½w, w, … 7w
1978	VAX-11/780	32	¼w, ½w, w, 1d, … 31d, 1b, … 32b	w, 2w	¼w, … 14¼w
1979	Motorola 68000	32	¼w, ½w, w, 2d	—	½w, w, … 7½w
1982 (1983)	Motorola 68020 (w/Motorola 68881)	32	¼w, ½w, w, 2d	— (w, 2w, 2½w)	½w, w, … 7½w
1985	ARM1	32	w	—	w
1985	MIPS32	32	¼w, ½w, w	w, 2w	w
1989	Intel 80486	16 (32)*	½w, w, 2w, 2d w, 2w, 4w	2w, 4w, 5w, 17d	½w, w, … 7w
1989	Motorola 68040	32	¼w, ½w, w, 2d	w, 2w, 2½w	½w, w, … 7½w
1991	MIPS64	64	¼w, ½w, w	w, 2w	w
1991	PowerPC	32	¼w, ½w, w	w, 2w	w
1992	SPARC v8	32	¼w, ½w, w	w, 2w	w
1994	SPARC v9	64	¼w, ½w, w	w, 2w	w
2001	Itanium (IA-64)	64	8 b, ¼w, ½w, w	½w, w	41 b
2002	XScale	32	w	w, 2w	½w, w
2003	x86-64	64	8b, ¼w, ½w, w	½w, w, 1¼w, 17d	8 b
2010	RISC-V 32/64/128	32	¼w, ½w, w, 2w, 4w	w, 2w, 4w	w, ½w

Обозначения:

• b — бит (двоичная цифра);
• d — децит (десятичная цифра);
• w — размер машинного слова;
• n — переменное значение.

Для 32-битных процессоров архитектуры x86: исторически машинным словом считается 16 бит, реально — 32 бита.

См. также

• Порядок байтов
• Регистр процессора
• Единицы измерения информации

Ссылки

• Real Machines with 24-bit and 48-bit words сравнение различных компьютеров с 48-и разрядным словом
• Real Machines with 16, 32, and 30-bit words сравнение различных компьютеров с 16-, 32- и 30-и разрядным словом