Вставская Е.В. Архитектура ЭВМ, систем, сетей, лекции
Подождите немного. Документ загружается.
A=(B)+(X)+D,
где (В), (X) - соответственно содержимое базового и индексного регистров с
номерами В, X; D - смешение.
В команде отводится два поля для указания номеров базового и
индексного регистров и одно поле для указания смещения.
Загрузка базового адреса в базовый регистр обычно делается из самого
программного модуля. Так как в процессоре выборка команд происходит по
содержимому счетчика команд, то после получения программным модулем
управления на счетчике команд будет адрес первой команды модуля. Этот
адрес и может быть использован как базовый. Загрузку базового адреса
удобно делать с помощью команды вызова подпрограммы, запоминающей
содержимое счетчика команд в одном из регистров процессора.
В качестве базового регистра можно использовать и счетчик команд. В
этом случае не требуется отводить отдельного регистра для хранения базового
адреса и не нужно делать загрузку его. Недостаток адресации относительно
счетчика команд в том, что при использовании одного и того же операнда в
разных командах требуется указывать разную величину смещения. Однако
этот недостаток не существен, так как подсчет смещений при подготовке
программ делается транслятором, а при отладке - средствами отладочной
программы.
Автоиндексная адресация. В мини- и микроЭВМ, где оборудование
процессора ограничено, применяется автоиндексная адресация, являющаяся
развитием косвенной адресации. При автоиндексной адресации косвенный
адрес увеличивается или уменьшается до или после выполнения операции с
операндом. Этот способ адресации обеспечивает высокую эффективность
обработки массивов при небольших аппаратурных затратах на его
реализацию, особенно в случае хранения косвенного адреса на внутреннем
регистре процессора. Если косвенный адрес увеличивается, то адресация
называется автоинкрементной или с автоувеличением, если уменьшается - то
51
автодекрементной или с автоуменьшением. Обычно эти способы
согласованы так, чтобы при последовательном применении, например,
автодекрементной и автоинкрементной адресации использовался один и тот
же операнд. Это требует, чтобы в рассматриваемом случае при
автодекрементной адресации сначала происходило уменьшение косвенного
адреса, а затем операция, а при автоинкрементной адресации наоборот -
сначала операция с операндом, а затем увеличение косвенного адреса.
Стековая память и адресация к ней. Стековая память относится к
специальным видам памяти. При обращении к ней адрес не используется. Для
чтения/записи доступна только одна ячейка, называемая вершиной стека.
На рис.18 показано состояние стековой памяти при последовательной
записи в стек переменных а и b и чтении их из стека. Как видно из рисунка,
последний записанный элемент будет прочитан первым. Подобный порядок
записи/чтения характерен для адресов возврата при вложенных вызовах
подпрограмм, а также во многих других случаях.
а
b
a
a
Вершина
стека
Стек пуст
Запись а
Запись b
Чтение b
Чтение а
(стек пуст)
Рис.18 Функционирование стековой памяти
Практически стековая память реализуется на основе обычной памяти с
использованием указателя стека и автоиндексной адресации. Запись в стек
осуществляется с использованием автодекрементной адресации, а чтение -
автоинкрементной. На рис.19 приведено последовательное состояние
указателя стека и ячеек памяти при последовательной записи в него чисел 5,
52
12, 8 и чтении числа 8. Предполагается описанный выше порядок выполнения
автоинкрементной и автодекрементной адресации. Операции чтения/записи
со стековой памятью выполняются процессором неявно при вызовах
подпрограмм и возвратах из подпрограмм, при обработке прерываний и в
других случаях. В этих операциях предусмотрено помещение в стек
содержимого только некоторых регистров (аккумулятора, регистра
признаков). Для программирования в системе команд процессора обычно
предусматриваются операции пересылки значений из стека в память или
регистр общего назначения (РОН) и в стек из памяти или регистров общего
назначения и операции загрузки указателя стека, называемые
инициализацией указателя стека.
53
1000
Адрес
996
997
998
999
1000
Исходное состояние
(стек пуст)
Указатель
стека
999
5
Адрес
996
997
998
999
1000
Записано число 5
Указатель
стека
998
12
5
Адрес
996
997
998
999
1000
Записано число 12
Указатель
стека
997
8
12
5
Адрес
996
997
998
999
1000
Записано число 8
Указатель
стека
998
12
5
Адрес
996
997
998
999
1000
Прочитано число 8
Указатель
стека
Рис. 19 Функционирование стековой памяти с указателем стека
54
1.6.3 Алгоритм работы процессора
Классификация операций, выполняемых процессором.
Элементарная (машинная) операция - действие, задаваемое одной
командой и реализуемое аппаратурой процессора. Машинные операции
объединяются в группы операций: 1) арифметическо-логические; 2)
пересылочные; 3) управления; 4) ввода - вывода. Рассмотрим подробнее
операции каждой из групп.
Арифметическо-логические операции. Операции этой группы
осуществляют преобразование информации. Арифметическо-логические
операции можно разделить на операции:
1) арифметические;
2) логические;
3) сдвигов.
К арифметическим операциям относятся основные операции (сложение,
вычитание, умножение, деление), выполняемые над числами с
фиксированной и плавающей точкой и десятично-кодированными числами, и
вспомогательные операции (присвоение знака, изменение знака, прямой и
обратный счёт единиц, сложение переноса, вычитание заёма и др.).
Логические операции предназначены для обработки символьных и
логических данных и включают поразрядные логические операции -
инверсия, конъюнкция, дизъюнкция, сумма по модулю 2 .
Операции сдвигов включают операции арифметического, циклического и
логического сдвига.
Арифметическо-логические операции кроме результата операции
формируют в АЛУ процессора признаки результата. Наиболее часто
используются признаки; Z - нулевого результата; N - отрицательного
результата; V - переполнения; С - (бит) переноса/заёма
Пересылочные операции. Эти операции предназначены для передачи
информации между процессором и ОП, а также внутри процессора и между
55
ячейками памяти. В процессоре информация хранится на регистрах. Поэтому
пересылочные операции внутри процессора называются операциями типа
регистр - регистр, между процессором и памятью - операциями типа регистр
- память и, наконец, пересылка в памяти - операциями типа память - па-
мять.
В некоторых процессорах пересылочные операции не выделяются в
отдельную группу, а относятся к группе арифметическо-логических операций.
Операции пересылок обычно вырабатывают признаки результата (Z и N) по
пересылаемому значению.
Операции управления. Эта группа операций предназначена для
управления процессом вычислений и состоянием процессора.
Операции управления можно разделить на операции: 1) условных и
безусловных переходов; 2) вызова подпрограмм и возврата; 3) управления
состоянием процессора.
Операции переходов используются для изменения естественного порядка
следования команд безусловно или в зависимости от выполнения некоторой
совокупности условий, определяемых значениями признаков результатов (Z,
N, V, С), выработанных командой, непосредственно предшествующей команде
условного перехода. Для повышения эффективности программ в процессорах
предусматриваются специальные операции условного перехода для
организации циклов с известным числом повторений (переход по счетчику,
по индексу и др.).
Операции вызова подпрограмм при переходе к подпрограмме выполняют
запоминание адреса возврата, т. е. адреса команды, следующей за командой
вызова.
Операции возврата из подпрограмм восстанавливают запомненный адрес
возврата и дают возможность возвратиться к вызывающей программе и
продолжить вычисления, начиная с команды, следующей за командой
вызова.
56
Запоминать адрес возврата наиболее удобно в стеке Применяются и
другие методы. Например, адрес возврата запоминается на одном из
регистров процессора, в фиксированных ячейках памяти или в первой ячейке
самой подпрограммы.
Особую группу операций вызова подпрограмм образуют программные
прерывания.
Операции управления состоянием процессора позволяют: выполнить
установку признаков результата процессора в нужное состояние, изменить
приоритет процессора, перевести его в режим ожидания сигналов прерывания
и т. п.
Процессор обеспечивает выборку команд из памяти и их выполнение.
Алгоритм работы процессора включает такие действия, как:
1) вычисление адреса команды;
2) выборка команды;
3) дешифрация команды;
4) вычисление адресов операндов;
5) выборка операндов;
6) исполнение операции, заданной командой, и запись результата.
Рассмотрим эти действия подробнее.
Вычисление адреса команды. Адрес команды хранится на счетчике
команд и для выборки следующей команды необходимо прибавить длину
выполненной команды к текущему содержимому счетчика. Обычно это
действие совмещается с другими действиями и наращивание содержимого
счетчика осуществляется по мере выборки и выполнения команды. Это
вызвано тем, что команда имеет переменную длину и информация о длине
извлекается только после дешифрации кода команды в блоке
микропрограммного управления процессора . Если длина команды кратна
длине слова ОЗУ, то выборка каждого слова команды должна осуществляться
57
автоинкрементно. Этот подход характерен для мини- и микроЭВМ, где длина
слова невелика.
Выборка команды. К моменту выборки адрес команды записан в счетчике
команд. Он пересылается на РАП, и в БС выполняется операция ввода слова
через интерфейс. Введенное слово запоминается на РК. Если команда состоит
из нескольких слов, то на этом этапе выбирается только первое слово
команды, которое обычно содержит код операции и признаки адресации.
Анализ этого слова позволяет выяснить длину команды. Если команда
длиннее одного слова, то выборка последующих слов производится по мере
необходимости. Так как выборка осуществляется автоинкрементно, то в
каждый момент на счетчике команд будет адрес следующего, ещё не
выбранного слова.
Дешифрация команды. Процесс дешифрации может быть разделён на
первичную и вторичную дешифрацию.
Первичная дешифрация выполняется сразу после выборки. Ее цель -
определение группы команды и в первую очередь её адресности. Это
позволяет существенно уменьшить объём алгоритма за счет одинаковой
обработки команд одного типа.
Вторичная дешифрация делается на более поздних этапах, обычно после
вычисления адресов операндов. Для команд арифметическо-логической
группы вторичная дешифрация может делаться непосредственно в АЛУ.
Вычисление адресов операндов. Если команда адресная, то на следующем
этапе выполняется вычисление адресов операндов. Если адресов более одного,
то первым вычисляется адрес операнда - источника информации, т. е.
операнда, который не меняется при выполнении операции. В этом случае
более выгодно адреса следующих операндов вычислять после выборки
операнда источника, потому что его адрес после выборки будет не нужен, и
для вычисления следующих адресов может быть использовано то же самое
оборудование. Таким образом, вычисление адресов и выборка для каждого
58
операнда чередуются. Вычисленный адрес операнда, если он является адресом
ячейки ОЗУ, помешается на регистр адреса (РАП).
Выборка операндов. Данное действие производится для большинства
адресных команд арифметическо-логической группы. При выполнении
команд пересылочной группы для операнда - приёмника вместо выборки
производится запись. Операндом - приёмником считается ячейка памяти или
регистр процессора, куда записывается результат операции. При выполнении
команд арифметическо-логической группы содержимое такой ячейки
вводится в процессор (делаются выборки операнда), затем в АЛУ процессора
выполняется заданная командой операция, далее результат операции вы-
водится из процессора (делается запись результата на место операнда). По
отношению к интерфейсу процессора выполняется последовательность
операций ввод-пауза-вывод. Пауза необходима для модификации операнда
при выполнении операции в АЛУ.
В случае единого интерфейса целесообразно при выполнении такой
последовательности не освобождать интерфейс после ввода, а оставлять его
процессору до окончания операции в АЛУ и вывода. Это позволит увеличить
скорость обработки данных в процессоре, так как экономится время на
повторный захват шин интерфейса процессором, селекцию адреса и
подготовку записи данных в ОЗУ. При выполнении длинных операций
(умножения, деления, операции с плавающей точкой) экономия времени будет
менее заметна, так как величина паузы может значительно превысить время,
требующееся на ввод и вывод. В этом случае нецелесообразно использование
цикла ввод - пауза - вывод, поскольку длительное занятие шин интерфейса
может нарушить работу всей системы, особенно при использовании в системе
режимов обмена с прямым доступом в память и устройств с малым периодом
сигналов прерывания.
Исполнение операций. Для команд арифметическо-логической группы
перед исполнением заданной командой операции делается вторичная
59
дешифрация кода операции, затем операнды подключаются к АЛУ и
выдаются необходимые для АЛУ сигналы. Результат с выхода АЛУ
передается на место операнда- приёмника. В некоторых случаях вторичная
дешифрация выполняется в самом АЛУ. Тогда в него вместе с операндами
передается и часть кода операции команды. В случае адресных команд
исполнению предшествует вычисление адресов операндов и выборка
операндов. Если же команда безадресная, то она начинает исполняться
непосредственно после первичной дешифрации. Для пересылочных операций
исполнение заключается в простой выборке операнда-источника и записи его
на место операнда - приёмника.
Команды безусловного перехода изменяют порядок выборки команд из
памяти. Поэтому исполнение таких команд заключается в пересылке
вычисленного адреса операнда с РАП в счетчик команд.
В командах условного перехода дополнительно анализируется значение
указанного в команде признака перехода или их совокупности. При
выполнении условий перехода вычисляется и пересылается в счетчик команд
адрес перехода.
Команды вызова подпрограмм требуют запоминания текущего значения
счетчика команд. Дальнейшие действия выполняются так же, как в случае
команд безусловного перехода.
Команды управления состоянием процессора, как правило, являются
безадресными командами. Их исполнение начинается сразу после первичной
дешифрации и заключается в выработке совокупности управляющих
сигналов, изменяющих состояние внутренних регистров процессора (в том
числе признаков) и блока сопряжения.
Исполнение команд ввода - вывода в микро- и мини-ЭВМ заключается в
обмене словами по интерфейсу между процессором и внешним
[периферийным (ПУ)] устройством. Такой обмен мало чем отличается от
обмена словами процессора с памятью. Процессор по отношению к
60