Вставская Е.В. Архитектура ЭВМ, систем, сетей, лекции
Подождите немного. Документ загружается.
На рис.12 приведён пример построения блока памяти ЭВМ из отдельных
модулей ПЗУ и ОЗУ. При таком построении разделение объёма памяти на
ПЗУ и ОЗУ определяется не только потребностью технической системы, но и
ёмкостью выбранных для применения микросхем памяти.
1.6 Процессоры ЭУМ
1.6.1 Структура процессора
Схема процессора приведена на рис. 13. Процессор состоит из блока
регистров БР, арифметическо-логического устройства АЛУ, блока
сопряжения с интерфейсом БС блока микропрограммного управления БМУ.
БР
БМУ
АЛУ
БС
Интерфейс
процессора
Рис.13 Структура процессора
В блоке регистров БР все регистры могут быть разделены на
программно-доступные и программно-недоступные.
К программно-доступным регистрам относятся регистры, содержимое
которых доступно по командам процессора, т. е. может использоваться в
операциях, изменяться по операциям, задаваемым командами. Содержимое
этих регистров не изменяется от команды к команде. К таким регистрам
относятся аккумулятор; регистры базовые и индексные; множителя-
частного; указателя стеков, счетчик команд и т. п. В современных
41
процессорах программно-доступные регистры обычно не закрепляют жестко
по назначению (за исключением счётчика команд и указателя стека), а
предоставляют программисту несколько регистров общего назначения РОН,
которые он может использовать в качестве накапливающих, базовых,
индексных и т. д. Количество таких регистров колеблется от 8 до нескольких
десятков (30-75).
Программно-недоступные регистры являются рабочими регистрами
процессора и предназначены для хранения разнообразной информации в
процессе выполнения одной команды. К таким регистрам относятся в первую
очередь регистр команды (РК), буферные регистры адресов (РАП) и слов
(РСП), используемые при обращениях к памяти, и другие регистры.
Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) предназначено для
выполнения арифметических и логических операций над словами данных и
адресами. В АЛУ вырабатываются и сохраняются признаки результатов. В
процессорах ЭВМ общего назначения АЛУ имеет сложную структуру и
включает в себя блоки, обрабатывающие числа с фиксированной точкой
различной длины, числа с плавающей точкой, десятично-кодированные
числа, поля переменной длины. Для вычисления адресов (при индексной и
относительной адресации) иногда используется отдельное АЛУ адресов.
В мини- ЭВМ в основном АЛУ выполняются арифметические операции
над числами с фиксированной точкой и логические операции.
Предусматривается возможность подключения дополнительного АЛУ,
выполняющего операции с плавающей точкой и другие операции
расширенной арифметики.
Иногда микроЭВМ дополнительные АЛУ или арифметические рас-
ширители не включаются в состав процессора, а подключаются к интерфейсу
как периферийные устройства (ПУ). Основное АЛУ процессоров мини- и
микроЭВМ обычно комбинированного типа с магистральной структурой.
42
Блок сопряжения с интерфейсом (БС) обеспечивает захват шин
интерфейса и выработку всех необходимых сигналов для выполнения обмена
по шинам. В состав БС обычно включают контроллер шин всей ЭВМ.
Интерфейс процессора включает в себя шины адреса, данных (входные и
выходные или двунаправленные) и управления. Если используются одни и те
же физические шины для передачи адресов и данных, то предусматриваются
обычно сигналы идентификации. В состав шин управления входят шины,
задающие операцию ввода или вывода (относительно процессора), и шина
синхронизации.
t
t
ША
WR
t
CS
Адрес стабилен
t
ШД
Данные стабильны
t
AW
t
DH
t
Ц
б)
t
t
t
t
ША
CS
ШД
RD
Адрес стабилен
Данные стабильны
t
CO
t
AO
t
RC
t
Ц
а)
t
ОБР
Рис.14 Временные диаграммы асинхронного ввода-вывода данных
Процессор выполняет две операции с интерфейсом: ввод слова и вывод
слова (рис.14). Для ввода слова устанавливается: на шины управления код
43
операции «ввод», на шины адреса - адрес слова в ОЗУ (или адрес устройства
ввода - вывода), затем выдается сигнал синхронизации. Временные
интервалы, указанные на рис.14 нормируются и служат техническими
характеристиками процессоров. В синхронных интерфейсах с постоянной
задержкой относительно синхроимпульса, а в асинхронных по ответному син-
хроимпульсу от ОЗУ (или УВВ) осуществляется ввод информации с шины
данных. Для вывода слова устанавливается: на шины управления код
операции «вывод», на шины адреса - адрес слова в ОЗУ, на шины данных -
данные и выдается сигнал синхронизации. Информация на шинах
удерживается в течение определенного времени или до получения ответного
синхроимпульса.
Блок управления обеспечивает реализацию алгоритма работы
процессора, выдавая последовательности управляющих сигналов в БР, АЛУ
и БС и анализируя ответные осведомительные сигналы из этих блоков.
1.6.2 Способы адресации
Способ адресации - способ вычисления адреса операнда на основе
информации, имеющейся в команде. Сначала в ЭВМ использовался только
один способ адресации - прямая адресация. Недостатки этого способа вызвали
необходимость использования наряду с прямой адресацией и других способов.
В системе команд процессора обычно предусматривается несколько
способов адресации операндов для одной и той же операции. Поэтому в
адресной части команды есть специальное поле - поле признаков операции, в
котором кодируется признак адресации. Если такого признака нет, то способ
адресации определяется по коду операции. Последний способ используется,
если только небольшое число операций должно работать с разными
способами адресации, так как иначе слияние признаков адресации с кодом
операции значительно увеличит число кодов, а следовательно, и длину коман-
44
ды. При использовании поля признаков адресации любая операция может
выполняться с любыми способами адресации, что упрощает
программирование.
Рассмотрим наиболее распространенные способы адресации данных,
применяемые в современных процессорах. Способы адресации
иллюстрируются схематичными рисунками, в которых для упрощения
используется одноадресный формат команды с опущенными признаками
адресации.
Неявная адресация. Этот способ адресации имеется во всех процессорах.
Основное назначение его - уменьшение длины команды за счет исключения
части адресов. Количество фактических адресов удается уменьшить за счет
использования неявной адресации или адресации по умолчанию. При неявной
адресации адрес вычисляется по любой формуле из имеющихся в команде
сведений или в качестве операнда используется содержимое фиксированной
ячейки памяти или регистра процессора. Первый способ применяется,
например, для адреса следующей команды, который вычисляется
прибавлением некоторого числа l к адресу выполняемой команды (l - это
длина команды в минимальных адресуемых элементах информации в
памяти). Длина команды в большинстве современных процессоров число
переменное и зависит от типа команды.
Анализ программ показывает, что часто требуется в качестве одного из
операндов использовать результат предыдущей операции. Поэтому в
качестве адреса результата обычно используется адрес одного из операндов и
результат замещает один из операндов. Это позволяет значительно сократить
длину адресной части команды, но приводит к необходимости введения
посылочных операций, которые не выполняют никаких действий, кроме
копирования информации в памяти или между памятью и одним из
регистров процессора.
45
Если в качестве операнда использовать содержимое одного из регистров
процессора и туда же записывать результат операции то можно обойтись и
одним, фактически присутствующим в команде адресом. Регистр процессора,
содержимое которого по умолчанию используется в операциях и куда
записывается результат операции называется накапливающим регистром
или аккумулятором.
В зависимости от количества фактически присутствующих в команде
адресов она называется безадресной, одноадресной, двухадресной и т. д. В
современных процессорах обычно применяются не более чем двухадресные
команды, причём адресность команд является переменной величиной и
именно она обычно влияет на размер команды. Так, для унарных операций
(поразрядная инверсия, изменение знака и др.) требуется всегда на один адрес
меньше, чем для бинарных; команды переходов требуют указания одного
адреса, некоторые команды, изменяющие состояние процессора, вообще не
требуют операндов.
Непосредственная адресация. В программах очень часто необходимо
выполнять операции, в которых один из операндов является константой, не
изменяющейся в процессе работы программы. Можно записать такую
константу в ячейку памяти и адресовать ее обычным образом, но лучше для
этой цели использовать непосредственную адресацию (операнд при этом
записывается непосредственно в команде вместо одного из адресов). Такой
способ адресации ускоряет выполнение команды, так как не требуется цикла
обращения к памяти за операндом (он выбран вместе с командой), и
одновременно экономит память.
Прямая адресация. Указание в команде прямого адреса операнда, т. е.
номера ячейки памяти, в которой он записан, - простой и достаточно
универсальный способ адресации, широко используемый и в ЭВМ первого и
второго поколений. В настоящее время он находит ограниченное
использование из-за трудности:
46
- перемещения программ в памяти;
- обработки массивов данных и организации специальных видов
памяти;
- обработки данных, организованных в списочные структуры;
- передачи фактических параметров в подпрограммы.
Во всех этих случаях необходима модификация или формирование
адресных частей команд, что усложняет программирование и сами
программы.
Косвенная адресация. Адрес операнда, хранимый в некоторой ячейке
памяти, называется указателем; адресация к операнду через цепочку
указателей - косвенной адресацией; количество указателей в цепочке -
кратность косвенной адресации. Наиболее распространена однократная
косвенная адресация, схема которой приведена на рис.15. Значение указателя,
т. е. адрес операнда, называется косвенным адресом. Адрес указателя остается
постоянным, а косвенный адрес может изменяться в процессе выполнения
программы командами самой программы. Этим обеспечивается возможность
переадресации данных, т. е. обработка массивов операндов или сложной
структуры данных с помощью одной и той же программы или участков
программы.
47
КОП
Адрес указателя
Адрес
операнда
Операнд
ОЗУ
Рис.15 Схема косвенной адресации
Косвенная адресация упрощает обработку массивов и списковых структур
данных, а также передачу параметров подпрограммам, но не обеспечивает
перемещаемости программ в памяти.
При многократной косвенной адресации в команде указывается адрес
первого указателя и кратность - число последовательно выбираемых
указателей. Значение каждого указателя - адрес следующего указателя. В
последнем указателе содержится адрес операнда. На практике кратность
обычно не превышает 6-8, так как при кратности >2 программирование
значительно затрудняется.
Прямая адресация может рассматриваться как частный случай
косвенной адресации с кратностью 0.
Команда с косвенной адресацией делает дополнительные обращения к
памяти за косвенным адресом и выполняется дольше, чем команда с прямой
адресацией. Но применение команд с косвенной адресацией выгоднее, так как
аналогичные действия с использованием только прямой адресации требуют
выполнения целой программы.
48
Индексная адресация. Если в качестве операндов используются
переменные с индексами, то они обозначают элементы массивов,
представляющие собой совокупность однотипных значений. Наиболее удобна
для работы с массивами индексная адресация, схема которой приведена на
рис.16. При индексной адресации используются индексные регистры,
расположенные в процессоре.
КОП
Начальный
адрес массива
Операнд 1
Операнд i
Операнд n
ОЗУ
X
М
а
с
с
и
в
о
п
е
р
а
н
д
о
в
Индексные регистры
процессора
Индекс i
С
м
е
щ
е
н
и
е
Рис.16 Схема индексной адресации
Адрес операнда вычисляется как сумма начального адреса массива
операндов и индекса, записанного на одном из индексных регистров
процессора. В команде отводится дополнительное поле, в котором
указывается номер индексного регистра X. В некоторых процессорах
предусматриваются регистры для хранения предела изменения индекса.
Сравнение индекса с пределом осуществляется по специальной команде
условного перехода. Это значительно упрощает программирование
циклических алгоритмов.
49
Относительная адресация. Перемещаемым называется программный
модуль, одинаково выполняемый процессором независимо от адресов памяти,
в которых он расположен. Возможность создания перемещаемых в памяти
программ определяется наличием соответствующих аппаратных средств в
процессоре. Одно из таких средств - относительная адресация, реализуемая
такими же аппаратными средствами, как и индексная.
КОП
Смещение D
Команда
Операнд
ОЗУ
B
Начало
програм.
модуля
Програм.
модуль
Базовые регистры
процессора
Базовый адрес
С
м
е
щ
е
н
и
е
Рис.17 Схема относительной адресации
Основная идея относительной адресации состоит в том, чтобы в команде
указывать не абсолютный адрес операнда, а его смешение относительно
начала программного модуля. Начальный адрес программного модуля -
базовый адрес - загружается при входе в модуль на внутренний регистр B
процессора - базовый регистр. Схема относительной адресации приведена на
рис.17, откуда видно, что с точностью до обозначений она совпадает с
индексной.
Для эффективной обработки массивов при относительной адресации
применяется комбинированная индексно - относительная адресация, при
которой адрес операнда А вычисляется как сумма трех величин:
50