Непосредственная адресация

При непосредственной адресации (НА) в адресном поле команды вместо адреса содержится непосредственно сам операнд (рис. 40). Этот способ может применяться при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры.

Рис. 40 Непосредственная адресация

При записи в регистр, имеющий разрядность, превышающую длину непосредственного операнда, операнд размещается в младшей части регистра, а оставшиеся свободными позиции заполняются значением знакового бита операнда.

Помимо того, что в адресном поле могут быть указаны только константы, еще одним недостатком данного способа адресации является то, что размер непосредственного операнда ограничен длиной адресного поля команды, которое в большинстве случаев меньше длины машинного слова.

В 50-60% команд с непосредственной адресацией длина операнда не превышает 8 битов, а в 75-80% — 16 битов и лишь в 20-25% случаев непосредственный операнд имеет длину более 16 битов. Таким образом, в подавляющем числе случаев шестнадцати разрядов вполне достаточно, хотя для вычисления адресов могут потребоваться и более длинные константы.

Исследования показывают, что средний процент использования непосредственной адресации по всем командам составляет 35% для целочисленных вычислений и 10% - в программах, ориентированных на обработку чисел с плавающей запятой. Наиболее интенсивно данный вид адресации используется в арифметических операциях и командах сравнения. В то же время загрузка констант в большинстве программ не такая частая операция.

Непосредственная адресация сокращает время выполнения команды, так как не требуется обращение к памяти за операндом. Кроме того, экономится память, поскольку отпадает необходимость в ячейке для хранения операнда. В плане эффективности этот способ можно считать «идеальным» ( ) и его можно рекомендовать к использованию во всех ситуациях, когда тому не препятствуют вышеупомянутые ограничения.

Прямая адресация

При прямой или абсолютной адресации (ПА) адресный код прямо указывает но­мер ячейки памяти, к которой производится обращение (рис. 41), то есть адрес­ный код совпадает с исполнительным адресом.

Рис. 41 Прямая адресация

При всей простоте использования способ имеет существенный недостаток - ограниченный размер адресного пространства, так как для обращения к памяти большой емкости нужно «длинное» адресное поле. Однако более существенным несовершенством можно считать то, что адрес, указанный в команде, не может быть изменен в процессе вычислений (во всяком случае, такое изменение не рекомендуется). Это ограничивает возможности по произвольному размещению программы (и данных) в памяти.

Прямую адресацию характеризуют следующие показатели эффективности:

— количество адресуемых операндов.

Косвенная адресация

Одним из путей преодоления проблем, свойственных прямой адресации, может служить прием, когда с помощью ограниченного адресного поля команды указывается адрес ячейки, в свою очередь, содержащей полноразрядный адрес операнда (рис. 42). Этот способ известен как косвенная адресация (КА). Запись (А_К) означает содержимое ячейки, адрес которой указан в скобках.

При косвенной адресации содержимое адресного поля команды остается неизменным, в то время как косвенный адрес в процессе выполнение программы можно изменять. Это позволяет проводить вычисления, когда адреса операндов заранее неизвестны и появляются лишь в процессе решения задачи. Дополнительно такой прием упрощает обработку массивов и списков, а также передачу параметров подпрограммам.

Рис.42 Косвенная адресация

Недостатком косвенной адресации является необходимость в двухкратном обращении к памяти: сначала для извлечения адреса операнда, а затем для обращения к операнду ( ). Сверх того, задействуется лишняя ячейка памяти для хранения исполнительного адреса операнда. Способу свойственны следующие затраты оборудования:

(15)

где - разрядность ячейки памяти, хранящей исполнительный адрес; — количество ячеек для хранения исполнительных адресов; — количество адресуемых операндов. Здесь выражение определяет разрядность сокращенного адресного поля команды (обычно ).

В качестве варианта косвенной адресации, правда, достаточно редко используется, многоуровневая или каскадная косвенная адресация: А_ИСП = (…(А_К)…), когда к исполнительному адресу ведет цепочка косвенных адресов. В этом случае один из битов в каждом адресе служит признаком косвенной адресации. Состояние бита указывает, является ли содержимое ячейки очередным адресом в цепочке адресов или это уже исполнительный адрес операнда. Особых преимуществ у такого подхода нет, но в некоторых специфических ситуациях он оказывается весьма удобным, например, при обработке многомерных массивов. В то же время очевиден, и его недостаток — для доступа к операнду требуется три и более обращений к памяти.

Регистровая адресация

Регистровая адресация (РА) напоминает прямую адресацию. Различие состоит в том, что адресное поле команды указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора (рис. 43). Адрес регистра в дальнейшем будем обозначать буквой R. Обычно размер адресного поля в данном случае составляет три или четыре бита, что позволяет указать соответственно на один из 8 или 16 регистров общего назначения (РОН).

Рис. 43 Регистровая адресация

Двумя основными преимуществами регистровой адресации являются: короткое адресное поле в команде и исключение обращений к памяти. Малое число РОН позволяет сократить длину адресного поля команды, то есть . Кроме того, , где - время выборки операнда из регистра общего назначения, причем . К сожалению, возможности по использованию регистровой адресации ограничены малым числом РОН в составе процессора.

Косвенная регистровая адресация

Косвенная регистровая адресация (КРА) представляет собой косвенную адресацию, где исполнительный адрес операнда хранится не в ячейке основной памяти, а в регистре процессора. Соответственно, адресное поле команды указывает не на ячейку памяти, а на регистр (рис. 44).

Рис. 44 Косвенная регистровая адресация

Достоинства и ограничения косвенной регистровой адресации те же, что и у обычной косвенной адресации, но благодаря тому что косвенный адрес хранится не и памяти, а в регистре, для доступа к операнду требуется на одно обращение к памяти меньше. Эффективность косвенной регистровой адресации можно оценить по формулам:

;

где - разрядность регистров общего назначения.

Адресация со смещеннием

При адресации со смещением исполнительный адрес формируется и результате суммирования содержимого адресного поля команды с содержимым одного или нескольких регистров процессора (рис. 45).

Рис.45 Адресация со смещением

Адресация со смещением предполагает, что адресная часть команды включает в себя как минимум одно поле (А_К). В нем содержится константа, смысл которой в разных вариантах адресации со смещением может меняться. Константа может представлять собой некий базовый адрес, к которому добавляется хранящееся в регистре смещение. Допустим и прямо противоположный подход: базовый адрес находится в регистре процессора, а в поле А_К указывается смещение относительно этого адреса. В некоторых процессорах для реализации определенных вариантов адресации со смещением предусмотрены специальные регистры, например базовый или индексный. Использование таких регистров предполагается по умолчанию, поэтому адресная часть команды содержит только поле А_К. Если же составляющая адреса может располагаться в произвольном регистре общего назначения, то для указания конкретного регистра в команду включается дополнительное поле R (при составлении адреса более чем из двух составляющих в команде будет несколько таких полей). Еще одно поле R может появиться в командах, где смещение перед вычислением исполнительного адреса умножается на масштабный коэффициент. Такой коэффициент заносится в один из РОН, на который и указывает это дополнительное поле. В наиболее общем случае адресация со смещением подразумевает наличие двух адресных полей: А_К и R.

В рамках адресации со смещением имеется еще один вариант, при котором исполнительный адрес вычисляется не суммированием, а конкатенацией (присоединением) составляющих адреса. Здесь одна составляющая представляет собой старшую часть исполнительного адреса, а вторая — младшую.

Рассмотрим основные способы адресации со смещением.

Относительная адресация

При относительной адресации для получения исполнительного адреса операнда содержимое поля А_к команды складывается с содержимым счетчика команд (рис. 46), Таким образом, адресный код в команде представляет собой смещение относительно адреса текущей команды. Следует отметить, что в момент вычисления исполнительного адреса операнда в счетчике команд может уже быть сформирован адрес следующей команды, что нужно учитывать при выборе величины смещения. Обычно поле А_К трактуется как двоичное число в дополнительном коде.

Рис. 46 Относительная адресация

Адресацияотносительно счетчика команд базируется на свойстве локальности, выражающемся и том, что большая часть обращений происходит к ячейкам, расположенным в непосредственной близости от выполняемой команды. Это позволяет сэкономить на длине адресной части команды, поскольку разрядность поля А_К может быть небольшой. Главное достоинство данного способа адресации состоит в том, что он делает программу перемещаемой в памяти: независимо от текущего расположения программы в адресном пространстве взаимное положение команды и операнда остается неизменным, поэтому адресация операнда остается корректной.

Эффективность данного способа адресации (обозначим его СА — «относительно Счетчика Адресация») можно описать выражениями:

;

где - разрядность счетчика команд; - время сложения составляющих исполнительного адреса.

Базовая регистровая адресация

В случае базовой регистровой адресации (БРА) регистр, называемый базовым, содержит полноразрядный адрес, а поле Ак — смещение относительно этого адреса. Ссылка на базовый регистр может быть явной или неявной. В некоторых ВМ имеется специальный базовый регистр и его использование является неявным, то есть поле R в команде отсутствует (рис. 47, а).

Рис. 47 Базовая регистровая адресация: а- с базовым регистром;

б – с использованием одного из РОН

Более типичен случай, когда в роли базового регистра выступает один из регистров общего назначения (РОН), тогда его номер явно указывается в поле R команды (рис. 47, б).

Базовую регистровую адресацию обычно используют для доступа к элементам массива, положение которого в памяти в процессе вычислений может меняться. В базовый регистр заносится начальный адрес массива, а адрес элемента массива указывается в поле А_К команды в виде смещения относительно начального адреса массива. Достоинство данного способа адресации в том, что смещение имеет меньшую длину, чем полный адрес, и это позволяет сократить длину адресного поля команды. Короткое смещение расширяется до полной длины исполнительного адреса путем добавления слева битов, совпадающих со значением знакового разряда смещения.

Разрядность смещения R_CM и, соответственно, затраты оборудования определяются из условия

где - количество операндов i-й программы.

Затраты времени составляют:

Индексная адресация

При индексной адресации (ИА) поле Ак содержит адрес ячейки памяти, а регистр (указанный явно или неявно) — смещение относительно этого адреса. Как видно, этот способ адресации похож на базовую регистровую адресацию. Поскольку при индексной адресации в поле Ак находится полноразрядный адрес ячейки памяти, играющий роль базы, длина этого поля больше, чем при базовой регистровой адресации. Тем не менее вычисление исполнительного адреса операнда производится идентично (рис. 48).

Рис. 48 Индексная адресация: а – с индексным регистром;

б – с использованием одного из РОН

Индексная адресация предоставляет удобный механизм для организации итеративных вычислений. Пусть, например, имеется массив чисел, расположенных в памяти последовательно, начиная с адреса N. и мы хотим увеличить на единицу все элементы данного массива. Для этого требуется извлечь каждое число из памяти, прибавить к нему 1 и вернуть обратно, а последовательность исполнительных адресов будет следующей: N, N+1, N+2 и т. д., вплоть до последней ячейки, занимаемой рассматриваемым массивом. Значение N берется из поля Ак команды, а в выбранный регистр, называемый индексным регистром, сначала заносится 0. После каждой операции содержимое индексного регистра увеличивается на 1.

Так как это довольно типичный случай, в большинстве ВМ увеличение или уменьшение содержимого индексного регистра до или после обращения к нему осуществляется автоматически как часть машинного цикла. Такой прием называется автоиндексированием. Если для индексной адресации используются специально выделенные регистры, автоиндексирование может производиться неявно и автоматически. При задействовании для хранения индексов регистров общего назначения необходимость автоиндексирования должна указываться в команде специальным битом.

Автоиндексирование с увеличением содержимого индексного регистра носит название автоинкрементной адресации и может быть описано следующим образом:

или

где (R) — содержимое индексного регистра с адресом R.

В первом варианте увеличение содержимого индексного регистра происходит после формирования исполнительного адреса, и этот способ называется постинкремептным автоиндексированием. Во втором случае сначала производится увеличение содержимого индексного регистра, и уже новое значение используется для формирования исполнительного адреса. Тогда говорят о преинкрементном автоиндексировании.

Автоиндексирование с уменьшением содержимого индексного регистра носит название автодекрементной адресации и может быть описано так:

или

Здесь также возможны два варианта, отличающиеся последовательностью выполнения операций уменьшения содержимого индексного регистра и вычисления исполнительного адреса: постдекрементное автоиндексирование и предекрементное автоиндексирование.

Интересным и весьма полезным является еще один вариант индексной адресации — индексная адресация с масштабированием и смещением: содержимое индексного регистра умножается на масштабный коэффициент и суммируется с Ак. Масштабный коэффициент может принимать значения 1,2,4 или 8, для чего в адресной части команды выделяется дополнительное поле. Описанный способ адресации реализован, например, в микропроцессорах фирмы Intel.

Следует особо отметить, что система команд многих ВМ предоставляет возможность различным образом сочетать базовую и индексную адресации в качестве дополнительных способов адресации.

Страничная адресация

Страничная адресация (СТА) предполагает разбиение адресного пространства на страницы. Страница определяется своим начальным адресом, выступающим в качестве базы. Старшая часть этого адреса хранится в специальном регистре — регистре адреса страницы (РАС). В адресном коде команды указывается смещение внутри страницы, рассматриваемое как младшая часть исполнительного адреса. Исполнительный адрес образуется конкатенацией (присоединением) А_к к содержимому РАС, как показано на рис. 49. На рисунке символ точки • обозначает операцию конкатенации.

Рис. 49 Страничная адресация

Показатели эффективности страничной адресации имеют вид:

где М — количество страниц в памяти.

Блочная адресация

Блочная адресация используется в командах, для которых единицей обработки, служит блок данных, расположенных в смежных ячейках памяти. Этот способ очень удобен при работе с внешними запоминающими устройствами и в операциях с векторами. Для описания блока обычно берется адрес ячейки, где хранится первый или последний элемент блока, и общее количество элементов блока, заданное числом байтов или ячеек. Вместо длины блока может использоваться специальный признак «конец блока», помещаемый за последним элементом блока.

Стековая адресация

Данный вид адресации был рассмотрен нами при описании стековой архитектуры системы команд.

Распространенность различных видов адресации

Частота использования различных способов адресации существенно зависит от типа АСК. Для машин со стековой архитектурой очевидно, что основным способом адресации является стековая адресация. Для ВМ с аккумуляторной АСК главные способы адресации — это прямая и непосредственная.

Достаточно ясна и ситуация с МЗС-архитектурой. Из самой идеи этого подхода вытекает, что преимущественный способ адресации здесь — регистровая адресация.

Более сложным является вопрос о частоте использования различных видов адресации в регистровых ВМ. В рамках этой архитектуры существует множество машин с самыми разнообразными списками команд и различными сочетаниями способов адресации, в силу чего дать однозначный ответ относительно наиболее распространенных вариантов практически невозможно.

Единственное общее замечание — интенсивность применения конкретных способов адресации ощутимо зависит от характера решаемой задачи. Это обстоятельство обязательно должно учитываться пользователями при выборе ВМ под конкретное применение.

Способы адресации в командах управления потоком команд

Основными способами адресации в командах управления потоком команд являются прямая и относительная.

Для команд безусловного и условного перехода (ветвления) наиболее типична от- носительная адресация, когда в адресной части команды указывается смешение адреса точки перехода относительно текущей команды, то есть смещение относительно текущего содержимого счетчика команд. Использование данного способа адресации позволяет программе выполняться в любом месте памяти программы становятся перемещаемыми. Среди команд безусловного перехода доля относительной адресации составляет около 90%.

Для команд перехода чрезвычайно важно, насколько далеко адрес перехода отстоит от адреса команды перехода, иными словами, какова типичная величина смещения, Исследования показывают, длина смешения в основном не превышает 8 битов, что соответствует смещению в пределах ±128 относительно команды ветвлении. В подавляющем большинстве случаев переход идет в пределах 3-7 команд относительно команды перехода.

Система операций

Системой операций называется список операций, непосредственно выполняемых техническими средствами вычислительной машины. Система операций ВМ определяется областью ее применения, требованиями к стоимости, производительности и точности вычислений.

Связь системы операций с алгоритмами решаемых задач проявляется в степени ее приспособленности для записи программ реализации этих алгоритмов. Степень приспособленности характеризуется близостью списка операций системы команд и операций, используемых на каждом шаге выполнения алгоритмов. Простоту программирования алгоритма часто определяют термином «программируемость вычислительной машины». Чем меньше команд требуется для составлении программы реализации какого-либо алгоритма, тем программируемость выше. В архитектурах типа CISC улучшения программируемости добиваются введением и систему операций большого количества операций, в том числе и достаточно сложных. Это может приводить и к повышению производительности ВМ хотя в любом случае увеличивает аппаратурные затраты.

Обоснованный выбор системы операций (СО) возможен лишь исходя из анализа подлежащих реализации алгоритмов. Для этого определяется частотный вектор используемых в алгоритме операторов (q₁,…, q_n). Изучив вектор,составляют список основных, наиболее часто встречающихся операторов. Операторыосновногосписка реализуются системой машинных операций ВМ (каждому оператору сопоставляется своя машинная операция). Остальные операторыалгоритма получаютпутем их разложения на операторы основного списка.