Программное управление работой ЭВМАдресная структура команд и способы адресации операндов

Автоматизация вычислительного процесса осуществляется в ЭВМ на основе принципа программного управления, сформулированного американским ученым Дж. фон Нейманом в 1945 г. при разработке еще первых моделей ЭВМ. Согласно этому принципу все вычисления, выполняемые ЭВМ, задаются соответствующей программой, заранее составленной и введенной в ее память. Программа состоит из последовательности управляющих команд. Каждая команда содержит указания на выполнение конкретной

166

машинной операции и адреса в памяти участвующих в ней данных (операндов). Коды команд представляют собой многоразрядные двоичные комбинации, состоящие из 1 и 0, и внешне ничем не отличаются от двоичных кодов числовых данных. В таком виде эти коды хранятся в памяти ЭВМ.

Идеи, заложенные в программе, технически реализуются процессором (микропроцессором), который считывает из памяти очередную команду программы, расшифровывает ее, а затем подключает соответствующим образом необходимые устройства и узлы ЭВМ для выполнения данной команды. По существу, процессор организует автоматическое повторение одного и того же цикла, включающего в себя следующие действия (рис.8.1.):

- формирование адреса в памяти очередной команды, при этом адрес первой команды программы формируется вне цикла специальным способом, например нажатием соответствующей клавиши;
- считывание кода команды из памяти и расшифровка ее содержания;
- выполнение команды путем соответствующего подключения необходимых блоков и устройств ЭВМ.

Количество таких циклов определяется количеством команд в программе.

Рис. 8.1. Цикл работы процессора ЭВМ

В многоразрядном формате кода машинной команды выделяются два гак называемых поля: операционное и адресное (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Структура кода машинной команды

В операционном поле команды размещается код той операции (КОп), которую необходимо выполнить данной командой. В адресном поле размещены

167

коды адресов тех ячеек памяти, в которых хранятся данные (операнды), участвующие в выполнении данной операции.

На рис. 8.3. приведена схема, иллюстрирующая характер и последовательность функционального взаимодействия отдельных узлов и устройств ЭВМ в процессе выполнения команд программы. На схеме цифрами указана последовательность работы узлов и устройств ЭВМ в цикле выполнения одной команды.

Рис. 8.3. Взаимодействие устройств ЭВМпри выполнении команд программы

Для формирования адреса очередной команды используется счетчик команд (СК). Считанный из памяти код команды хранится в регистре команд (РК), состоящем из регистра КОп и регистра адресов данных. Синхронное и согласованное взаимодействие узлов и устройств ЭВМ при выполнении команд программы обеспечивает блок управления операциями (БУО) процессора. Указанное взаимодействие производится в следующей последовательности:

168

По адресу, сформированному в СК, считывается из памяти код очередной команды.
Код команды поступает в РК.
Код операции из РК расшифровывается в БУО, в результате чего формируются необходимые управляющие сигналы для выполнения данной операции.
Адреса данных из РК поступают в память ЭВМ, и по ним производится считывание необходимых операндов.
Считанные коды данных (операндов) поступают в АЛУ.
Производится выполнение в АЛУ требуемой операции.
Результат выполнения операции передается для хранения в память ЭВМ.
В счетчике команд формируется адрес следующей команды.

Если имеет место естественный порядок выполнения команд программы, то определяется адрес очередной команды (прибавление к адресу предыдущей команды ее длины в байтах). В общем случае этот адрес может быть любым другим и зависеть, например, от результата выполнения предыдущей операции (команды).

Таким образом, функциональное взаимодействие устройств ЭВМ при реализации вычислительного процесса определяется, прежде всего, машинными командами программы, хранящейся в памяти. Структура машинной команды, как уже отмечалось, состоит из отдельных полей, имеющих определенное функциональное назначение. В такой структуре представлен, с одной стороны, код операции (КОп), подлежащей выполнению, а с другой - адресный код, который содержит в том или ином виде информацию об адресах операндов, участвующих в той операции, а также указывает в явном или неявном виде адрес, по которому следует поместить результат операции в память ЭВМ.

Структура команды с жестко установленным значением каждого разряда (бита) в любом поле команды называется форматом. Обычно формат команды имеет разрядность, кратную одному биту.

Для машинных команд существуют различные варианты адресации операндов, в зависимости от которых существуют одно - , двух - , трехадресные, а также безадресные команды (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Структура машинных команд

169

Одноадресная команда содержит код операции и адрес А одного операнда. При этом второй операнд уже подготовлен предыдущей командой к выполнению и находится в АЛУ процессора (рис. 8.4, а).

Двухадресная команда содержит код операции и адреса двух операндов - А1 и А2 (рис. 8.4, б). Большинство команд современных ЭВМ - двухадресные.

Трехадресная команда содержит код операции, адреса двух операндов - А1 и А2, а также адрес A3, по которому записывается в память результат выполнения этой операции (рис. 8.4, в).

Безадресная команда содержит только код операции, в котором неявно подразумевается вся недостающая информация (рис. 8.4, г).

В общем случае адресный код команды отличается от исполнительного адреса, т.е. адреса памяти, по которому производится фактическое обращение. Правильный выбор способа адресации, т.е. механизма формирования исполнительного адреса, имеет большое значение для эффективного использования технических средств ЭВМ.

Рассмотрим основные способы адресации, сделав при этом оговорку, что кроме этих способов возможны также их различные комбинации.

Непосредственная адресация В команде содержится непосредственно сам операнд, при этом не требуется выделения ячейки памяти для его хранения. Данный способ удобен для организации вычислений с использованием различных констант.
Прямая адресация. Адрес операнда в явном виде задан в соответствующем поле команды и совпадает с исполнительным адресом.
Подразумеваемая адресация. В адресном поле команды не содержатся явные сведения об адресах операндов, но они подразумеваются. Например, в двухадресной структуре команд ЭВМ результат выполнения арифметической операции обычно помещается по адресу А2.
Укороченная адресация.

Суть ее заключается в использовании только младших разрядов адреса (при этом старшие разряды заранее подразумеваются нулевыми). Этот вид адресации используется лишь для фиксированных ячеек памяти с короткими (малыми) адресами.
Косвенная адресация. В адресном поле команды указывается адрес ячейки памяти, в которой хранится адрес операнда или очередной команды, т.е. косвенная адресация - это адресация адреса. Косвенная адресация широко используется в персональных ЭВМ, имеющих относительно короткую разрядность, так как позволяет преодолеть ограничения короткого формата их команд.
Регистровая адресация. В адресном поле команды указываются номера регистров в составе процессора (микропроцессора), в которых хранятся операнды. Это позволяет повысить производительность процессора за счет уменьшения числа обращений к ОП.
Автоинкрементная и автодекрементная адресация. По сути, оба способа адресации являются косвенной регистровой адресацией и основаны на хранении в регистре косвенного адреса операнда. Если после выполнения команды производится автоматическое приращение адреса, хранящегося в регистре, то имеет место автоинкрементная адресация; если производится автоматическое уменьшение этого адреса, то - автодекрементная адресация. Эти способы наиболее эффективны при адресации больших информационных массивов.

170

Стековая адресация используется в безадресных командах обращения к стековой памяти или просто стеку. При этом за стек принимается группа ячеек памяти с последовательными адресами, а в процессе один из регистров процессора выделяется под указатель стека. Обслуживание обращений к стековой памяти строится по принципу: "первым пришел - последним вышел". При записи в стек нового слова содержимое регистра с указателем стека увеличивается, а при считывании из стека - уменьшается. Стековая адресация позволяет безадресным командам выбирать из стека операнды, а результат заносить в стек.
Относительная адресация (базирование). Исполнительный адрес в этом случае определяется некоторым базовым адресом и смещением D относительно этого адреса.

При этом базовый адрес обычно задается косвенной регистровой адресацией, для чего в адресном поле команды указывается номер В регистра базы процессора, содержимое которого (В) является базовым адресом операнда. Путем суммирования базового адреса и смещения получается исполнительный адрес АИСП обращения к основной памяти., т.е. AИСП = (В) + D, где буква В, заключенная в круглые скобки, означает содержимое регистра базы с номером В.
Индексная адресация. При обработке массивов однотипных данных часто требуется производить обработку различных операндов одними и теми же командами. Механизм индексирования позволяет модифицировать адресные части команд (т.е. адреса операндов). Часто индексная адресация применяется в сочетании с базированием. Для этого в составе регистров процессора выделяются два регистра: базовый регистр В и регистр индекса X. В адресном поле команды указываются номера В и X этих регистров, а также смещение D. С учетом базирования и индексирования исполнительный адрес основной памяти определяется суммой АИСП = (В) + (X) t - D, где буквы В и X, заключенные в круглые скобки, обозначают, соответственно, содержимое регистров базы и индекса, имеющих адреса (номера) В и X.

171

166 :: 167 :: 168 :: 169 :: 170 :: 171 :: Содержание

Содержание раздела