Способи організації доступу до даних та методи адресування команд і даних.
Массив данных представляет собой некое подобие координатной сетки, где есть положения по горизонтали (адрес строки) и по вертикали (адрес столбца). На пересечении каждого конкретного адреса строки и столбца находится единичный «строительный элемент» памяти – ячейка, которая представляет собой ключ (транзистор) и запоминающий элемент (конденсатор). Например, для чтения или записи одной ячейки памяти необходимо пять тактов. Сначала на шину выставляется адрес строки. Затем подается сигнал RAS#, который является своего рода контрольным сигналом, передающим полученный адрес для записи в специально отведенное место – регистр микросхемы памяти. После этого передается сигнал столбца, следующим тактом за которым идет сигнал подтверждения принимаемого адреса, но уже для столбца – CAS#. И, наконец следует операция чтения-записи в/из ячейки, контролируемая сигналом разрешения – WE#. Однако, если считываются соседние ячейки, то тогда нет необходимости передавать каждый раз адрес строки или столбца – процессор «надеется», что считываемые данные расположены по соседству. Поэтому, на считывание каждой последующей ячейки понадобится уже 3 такта системной шины. Отсюда и берут свое начало существование определенных схем функционирования (тайминги) отдельно взятой разновидности памяти: x-yyy-yyyy-..., где "x" – количество тактов шины, необходимое длячтение первого бита, а у – для всех последующих. Так, цикл доступа процессора к памяти состоит из двух фаз: запроса (Request) и ответа (Response). Фаза запроса состоит из трех действий: подача адреса, подача запроса (чтения-записи) и подтверждение (необязательно). В фазу ответа входит выдача запрашиваемых данных и подтверждение приема. Довольно часто происходит чтение четырех смежных ячеек, поэтому многие типы памяти специально оптимизированы для данного режима работы, и в сравнительных характеристиках быстродействия обычно приводится только количество циклов, необходимое для чтения первых четырех ячеек. Здесь речь идет о пакетной передаче, которая подразумевает подачу одного начального адреса и дальнейшую выборку по ячейкам в установленном порядке. Такого рода передача улучшает скорость доступа к участкам памяти с заранее определенными последовательными адресами. Обычно процессор вырабатывает адресные пакеты на четыре передачи данных по шине, поскольку предполагается, что система автоматически возвратит данные из указанной ячейки и трех следующих за ней. Преимущество такой схемы очевидно – на передачу четырех порций данных требуется всего одна фаза запроса. Например, для памяти типа FPM DRAM применяется самая простая схема 5-333-3333-... Для памяти типа EDO DRAM после первого считывания блока данных, увеличивается время доступности данных того ряда, к которому происходит доступ в настоящий момент, при этом уменьшая время получения пакета данных, и память уже может работать по схеме 5-222-2222-... Синхронная память типа SDRAM, в отличие от асинхронной (FPM и EDO), «свободна» от передачи в процессор сигнала подтверждения, и выдает и принимает данные в строго определенные моменты времени (только совместно с сигналом синхронизации системной шины), что исключает несогласованность между отдельными компонентами, упрощает систему управления и дает возможность перейти на более «короткую» схему работы: 5-111-1111-... Поэтому в рассматриваемом пункте меню настройки можно встретить варианты допустимых значений для циклов обращения к памяти: x333 или x444 – оптимально подходит для FPM DRAM, x222 или x333 – для EDO DRAM, и x111 или x222 – для SDRAM.
В машинах крегистрами общего назначения метод (или режим) адресации объектов, с которыми манипулирует команда, может задавать константу, регистр или ячейку памяти. Для обращения к ячейке памяти процессор прежде всего должен вычислить действительный или эффективный адрес памяти, который определяется заданным в команде методом адресации.
На рис. 4.1 представлены все основные методы адресации операндов, которые реализованы в компьютерах, рассмотренных в настоящем обзоре. Адресация непосредственных данных и литеральных констант обычно рассматривается как один из методов адресации памяти (хотя значения данных, к которым в этом случае производятся обращения, являются частью самой команды и обрабатываются в общем потоке команд). Адресация регистров, как правило, рассматривается отдельно. В данном разделе методы адресации, связанные со счетчиком команд (адресация относительно счетчика команд) рассматриваются отдельно. Этот вид адресации используется главным образом для определения программных адресов в командах передачи управления.
На рисунке на примере команды сложения (Add) приведены наиболее употребительные названия методов адресации, хотя при описании архитектуры в документации разные производители используют разные названия для этих методов. На этом рисунке знак "(" используется для обозначения оператора присваивания, а буква М обозначает память (Memory). Таким образом, M[R1] обозначает содержимое ячейки памяти, адрес которой определяется содержимым регистра R1.
Использование сложных методов адресации позволяет существенно сократить количество команд в программе, но при этом значительно увеличивается сложность аппаратуры. Возникает вопрос, а как часто эти методы адресации используются в реальных программах? На рис. 4.2 представлены результаты измерений частоты использования различных методов адресации на примере трех популярных программ (компилятора с языка Си GCC, текстового редактора TeX и САПР Spice), выполненных на компьютере VAX.
Метод адресации |
Пример команды |
Смысл команды методаИспользование |
Регистровая |
Add R4,R3 |
R4(R4+R5Требуемое значение в регистре |
Непосредственная или литеральная |
Add R4,#3 |
R4(R4+3Для задания констант |
Базовая со смещением |
Add R4,100(R1) |
R4(R4+M[100+R1]Для обращения к локальным переменным |
Косвенная регистровая |
Add R4,(R1) |
R4(R4+M[R1]Для обращения по указателю или вычисленному адресу |
Индексная |
Add R3,(R1+R2) |
R3(R3+M[R1+R2]Иногда полезна при работе с массивами: R1 - база, R3 - индекс |
Прямая или абсолютная |
Add R1,(1000) |
R1(R1+M[1000]Иногда полезна для обращения к статическим данным |
Косвенная |
Add R1,@(R3) |
R1(R1+M[M[R3]]Если R3-адрес указателя p, то выбирается значение по этому указателю |
Автоинкрементная |
Add R1,(R2)+ |
R1(R1+M[R2] R2(R2+dПолезна для прохода в цикле по массиву с шагом: R2 - начало массива В каждом цикле R2 получает приращение d |
Автодекрементная |
Add R1,(R2)- |
R2(R2-d R1(R1+M[R2]Аналогична предыдущей Обе могут использоваться для реализации стека |
Базовая индексная со смещением и масштабированием |
Add R1,100(R2)[R3] |
R1( R1+M[100]+R2+R3*dДля индексации массивов |
Рис. 4.1. Методы адресации
Рис. 4.2. Частота использования различных методов адресации на программах TeX, Spice, GCC
Из этого рисунка видно, что непосредственная адресация и базовая со смещением доминируют.
При этом основной вопрос, который возникает для метода базовой адресации со смещением, связан с длиной (разрядностью) смещения. Выбор длины смещения в конечном счете определяет длину команды. Результаты измерений показали, что в подавляющем большинстве случаев длина смещения не превышает16 разрядов.
Этот же вопрос важен и для непосредственной адресации. Непосредственная адресация используется при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры. Результаты анализа статистики показывают, что в подавляющем числе случаев 16 разрядов оказывается вполне достаточно (хотя для вычисления адресов намного реже используются и более длинные константы).
Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что вообще говоря приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы с лихвой окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты RISC-процессоров. Этот процесс мы можем наблюдать сегодня, когда максимальные тактовые частоты практически всех RISC-процессоров (Alpha, R4400, Hyper SPARC и Power2) превышают тактовую частоту, достигнутую процессором Pentium.