Основная структура процессора

Программное управление работой эвм. Адресная 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 машинной операции и место нахождения (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. 5.1):

• 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;

• в ыполнение команды путем соответствующего подключения необходимых блоков и устройств ЭВМ.

Количество таких циклов определяется количеством команд в программе.

В многоразрядном формате кода машинной команды выделяются два так называемых поля: операционное и адресное (рис. 5.2).

В операционном поле команды размещается код той операции (Kon), которую необходимо выполнить данной командой. В адресном поле размещены коды адресов тех ячеек памяти, в которых хранятся данные (операнды), участвующие в выполнении данной операции.

На рис. 5.3 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.

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:

1. По адресу, сформированному в СК, считывается из памяти код очередной команды.

2. Код команды поступает в РК.

3. Код операции из РК расшифровывается в БУО, в результате чего формируются необходимые управляющие сигналы для выполнения данной операции.

4. Адреса данных из РК поступают в память ЭВМ и по ним произво­дится считывание необходимых операндов.

5. Считанные коды данных (операндов) поступают в АЛУ.

6. П роизводится выполнение в АЛУ требуемой операции.

7. Результат выполнения операции передается для хранения в память ЭВМ.

8. В счетчике команд формируется адрес следующей команды.

Если имеет место естественный порядок выполнения команд программы, то адрес очередной команды формируется путем прибавле­ния 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. 5.4).

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. 5.4, а).

Двухадресная команда содержит код операции и адреса двух операндов — А1 и А2 (рис. 5.4, 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. 5.4, в).

Безадресная команда содержит только код операции, в котором не­явно подразумевается вся недостающая информация (рис. 5.4, 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.

1. Непосредственная адресация. В команде содержится непосредственно сам операнд, и при этом не требуется выделения ячейки памяти для его хранения. Данный способ удобен для организации вычислений с использованием различных констант.

2. Прямая адресация. Адрес операнда в явном виде задан в соответствующем поле команды и совпадает с исполнительным адресом.

3. Подразумеваемая адресация. В адресном поле команды не содержится явных сведений об адресах операндов, но они подразумеваются. Например, в двухадресной структуре команд ЭВМ результат выполнения арифметической операции обычно помещается по адресу А2.

4. 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.

5. 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.

6. Регистровая адресация. В адресном поле команды указываются омера регистров в составе процессора (микропроцессора), в которых хранятся операнды. Это позволяет повысить производительность процессора за счет уменьшения числа обращений к ОП.

7. Автоинкрементная и автодекрементная адресация. По сути, оба пособа 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.

8. Стековая адресация используется в безадресных командах обращения к стековой памяти или просто стеку. При этом за стек принимается руппа ячеек памяти с последовательными адресами, а в процессе один из регистров выделяется под указатель стека. Обслуживание обращений к стековой памяти строится по принципу: «Первым пришел — последним обслуживается». При записи в стек нового слова содержимое регистра с указателем стека увеличивается на единицу, а при считывании из стека — уменьшается на единицу. Стековая адресация позволяет безадрес­ным командам выбирать из стека операнды, а результат заносить в стек.

9. 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 А_исп обращения к основной памяти, т.е. А_исп = (В) + D, где буква В, заключенная в круглые скобки, означает содержимое регистра базы с номером В.

10. 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 А_исп = (В) + (X) + D, где буквы В и X, заключенные в круглые скобки, обозначают соответственно содержимое регистров базы и индекса, имеющих адреса (номера) В и X.