Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

Несмотря на определенное увеличение времени выполнения команды, косвенная адресация является достаточно распространенной, в особенности в мини-ЭВМ, так как позволяет получить небольшую разрядность адресного поля команды, упростить обработку массивов и списков, переходы к подпрограммам и т.д. Уменьшение разрядности адресного поля команды может быть достигнуто, например, за счет размещения исполнительных адресов только в регистрах общего назначения при определенной части оперативной памяти, что позволяет адресовать эту часть памяти с помощью меньшего числа разрядов.

Известны варианты многократной косвенной адресации, когда исходный косвенный адрес AO определяет ячейку памяти, в которой хранится не исполнительный адрес, а также косвенный адрес AO', указывающий ячейку памяти, хранящую косвенный адрес AO'', и т.д.

Относительная адресация (в некоторых случаях называемая индексной) – способ адресации, при котором исходный адрес AO состоит из адреса индекса AX и смещения D: AO = <AX, D>. Адрес индекса является номером регистра или адресом ячейки (в зависимости от типа ЭВМ), где хранится значение индекса Х. Исполнительный адрес AE при относительной адресации получают посредством сложения содержимого регистра или ячейки (AX)=Х, указываемых адресом индекса AX, и смещения D, т.е.

AE =(AX) + D = X + D,

где (AX) – содержимое регистра с номером AX или ячейки с адресом AX. Использование такой адресации позволяет сократить разрядность адресного поля команды, т.к. разрядность адреса индекса AX определяется количеством регистров или ячеек, отведенных для хранения индексов, а разрядность смещения, вообще говоря, может быть произвольной.

Количество ячеек или регистров для хранения индексов в различных ЭВМ, как правило, не превосходит 16, а разрядность смещения составляет 6...12 двоичных разрядов. Поэтому, например, в ЕС ЭВМ максимальная емкость оперативной памяти может достигать 16777216 байт (2 в 24 степени байт), однако разрядность адресного поля команды (для данного адреса) благодаря индексной адресации составляет 16 двоичных разрядов, что 1.5 раза меньше, чем необходимо для прямой адресации памяти такого объема.

Индексирование позволяет также либо эффективно составлять циклические программы обработки массивов информации, либо создавать перемещаемые в памяти программы, но предоставляют обе эти возможности одновременно. Например, при выполнении циклической программы, использующей индексную адресацию, достаточно перед очередным циклом увеличить содержимое регистра или ячейки, где храниться индекс, тогда команды цикла будут обращаться к новому элементу массива данных, так как будет формироваться новое значение исполнительного адреса. Сама же запись команд цикла при этом не изменится.

Перемещать в памяти программы с помощью механизма относительной адресации можно в том случае, если эта программа составлена с использованием одного и того же регистра (или ячейки), применяемого для хранения индекса, во всех командах, а значение индекса не изменяется командами программы (как при выполнении циклов). При загрузке такой программы в оперативную память значение индекса, помещаемое в выбранный регистр или ячейку, устанавливается равным адресу начала участка памяти, в который загружается программа. Если механизм индексирования используют для создания перемещаемых в памяти программ, то индекс называют базой, а процесс формирования исполнительного адреса – базированием.

Дальнейшим развитием относительной адресации является адресация с двойным индексированием (базированием и индексированием). Исходный адрес AO при этом состоит из трех частей: адреса базы AB, адреса индекса AX, смещения D, AO = <AB, AX, D>. Адрес индекса и смещения имеют такое же назначение, как при индексной адресации. Адрес базы AB определяет номер регистра или адрес ячейки памяти, где хранится величина, называемая базой В, т.е. (AB) = В. База используется аналогично индексу, а исполнительный адрес AE получают при двойном индексировании посредством суммирования базы, индекса и смещения:

AE =(AB) + (AX) + D = В + Х + D.

Такой способ позволяет использовать относительную адресацию для написания циклических программ. которые за счёт базирования могут при этом перемещаться в памяти.

Формирование исполнительного адреса при относительной адресации и адресации с двойным индексированием основано на операции суммирования. Это действие может быть выполнено в основном АЛУ процессора. В ЭВМ высокой производительности для формирования исполнительных адресов используются специальные адресные АЛУ (адресный сумматор), который включается в состав процессора наряду с основным АЛУ.

В некоторых случаях, для того чтобы избежать дополнительной операции суммирования с базой В, применяют приём, называемый приформированием. Этот приём состоит в том, что разряды смещения D не суммируются с базой, просто приписываются к разрядам базы справа, т. е.

AE = B.D, где “.” – знак конкатенации (сцепления).

Неявная адресация - Название «неявная адресация» подразумевает, что адрес к регистрам или памяти не указывается при помощи операнда. Адрес регистра определяется самой инструкцией и содержится в коде операции. Например, некоторые инструкции используют индивидуальные регистры, такие, как аккумулятор, или DPTR, но при этом, адрес этих регистров не объявлен в операнде, так как он уже определен командой и определяется микропроцессором из кода операции. При неявной адресации регистр источник или регистр приёмник подразумевается в самом коде операции. Например:

RR A; Сдвинуть содержимое  аккумулятора вправо

DA A; Произвести десятичную  коррекцию результата суммирования

MOV A, R0; В первом операнде  использована неявная адресация, а во втором – регистровая. Примером неявной адресации к памяти могут являться команды push, pop.

При определении способа адресации операндов в команде необходимо учитывать, что адресация для каждого операнда команды своя. В общем случае адресация источника и приёмника могут не совпадать.

Классификация устройств управления

В зависимости от особенностей ЭВМ устройства управления имеют различную структуру. Основными признаками, по которым разделяются УУ, являются функциональная ориентация, принцип организации цикла выполнения команды, количество уровней управления и другие. Каждый признак позволяет выделить различные типы устройств управления:

1. Функциональная ориентация – универсальные УУ; специализированные УУ.

Универсальные УУ с учетом ограничений по быстродействию позволяют выполнять на ЭВМ программы решения любых задач, для которых имеется алгоритм решения.

Специализированные УУ используются в ЭВМ, предназначенных для решения определенного набора задач (одной задачи), программы (микропрограммы) для которых составлены заранее. Примером таких устройств могут служить УУ некоторых бортовых и управляющих ЭВМ, решающих одну и ту же задачу с различными исходными данными. Специализированные УУ могут обеспечивать в некоторых случаях выполнение универсального набора команд, однако круг решаемых в этом случае задач не может быть произвольным.

В последнее время выделяют проблемно-ориентированные ЭВМ. Устройства управления таких ЭВМ обычно являются универсальными, но система команд и структура проблемно-ориентированных ЭВМ таковы, что с их помощью можно эффективно решать определенный класс задач, для которого они предназначены.

2. Принцип организации цикла выполнения команды – синхронные УУ; асинхронные УУ; смешанные (синхронно-асинхронные) УУ. В синхронных УУ время выполнения каждой команды постоянно. При этом УУ вырабатывает последовательность тактирующих сигналов, обеспечивающую выполнение любой команды. Такая организация УУ имеет место в тех ЭВМ, где большая часть времени затрачивалась на обращения к запоминающему устройству.

В асинхронных машинах очередная команда начинает выполняться сразу же по окончании выполнения предыдущей, для чего в конце обработки каждой команды вырабатывается специальный признак конца операции. Асинхронный принцип управления позволяет получить при прочих равных условиях наивысшее быстродействие, но увеличивает аппаратурные затраты и усложняет процесс проектирования ЭВМ.

 Поэтому в большинстве УУ современных ЭВМ используются различные сочетания синхронного и асинхронного принципов – смешанный принцип организации цикла выполнения команды, иногда называемый машинным циклом. Примером реализации такого принципа может служить УУ, вырабатывающее две последовательности управляющих сигналов: основную и вспомогательную (рис.6).

Такты основной последовательности Т1 ... Т5 используются для выполнения большинства коротких операций (типа сложения с фиксированной запятой) и имеют следующее назначение: Т1 – выборка команды из памяти, Т2 – выборка из памяти первого операнда, Т3 – выборка второго операнда, Т4 – выполнение операции, Т5 – запись результата операции в память. Длительность всех тактов, во время выработки которых формируется ряд управляющих сигналов, одинакова и связана со временем обращения к оперативному ЗУ. Если операция не может быть выполнена за время такта Т4 (например, операция умножения), то основная последовательность приостанавливается на этом такте, и начинает формироваться вспомогательная последовательность тактовых сигналов Т'1 ... Т'n, во время которой выполняется операция. По окончании операции возобновляется выработка тактов основной последовательности. Кроме того, в зависимости от типа выполняемой команды некоторые такты основной последовательности могут отсутствовать. Существуют и другие варианты реализации смешанного (синхронно-асинхронного) принципа управления.

3. Количество уровней управления – одноуровневые УУ; многоуровневые УУ.

Под уровнем управления понимают совокупность способов представления и средств реализации управляющих воздействий в ЭВМ, включающих средства интерпретации операторов данного уровня и средства формирования последовательности выполнения операторов. Первые ЭВМ имели один уровень управления – уровень команд машинного языка. Их УУ были одноуровневыми и непосредственно по коду операции выполняемой команды осуществляли посылку необходимых управляющих сигналов в соответствующие такты (и шаги тактов) машинного цикла в нужные узлы машины.

Двухуровневые УУ, имеющие уровень команд и уровень микрокоманд, используются в большинстве ЭВМ с микропрограммным управлением. Каждая команда в таких УУ вызывает выполнение соответствующей микропрограммы – последовательности микрокоманд, хранимой в специальной памяти.

4. Метод хранения программы – УУ с внутренним хранением программ; УУ с внешним хранением программ.

В первом случае команды программ хранятся в оперативном ЗУ вместе с обрабатываемой информацией. Такой вариант хранения является наиболее распространенным и дает возможность изменять команды программы непосредственно в ходе ее выполнения. Это обеспечивает простоту организации памяти ЭВМ.

В случае внешнего хранения команды программы размещаются в специальном запоминающем устройстве команд отдельно от данных и не могут изменяться в процессе выполнения. ЗУ команд обычно имеет такую же организацию, как и оперативные ЗУ.

5. Порядок следования команд программы – УУ с естественным порядком следования команд; УУ с принудительным порядком следования команд.

6. Формат реализуемых команд – одноадресные, двухадресные, трехадресные УУ; УУ с переменной адресностью команд; безадресные УУ.

Наличие одного, двух или трех адресов в команде позволяет задать местоположение в оперативной памяти или на регистрах общего назначения одного операнда, двух операндов (операнда и результата) и двух операндов и результата соответственно. Большее количество адресов в команде обеспечивает удобство и эффективность программирования, но приводит к большей разрядности команды, а следовательно, увеличивает расход памяти для хранения команд. Поэтому трехадресный формат является менее распространенным.

В УУ с переменной адресностью команд используются сочетания названных выше форматов. При этом число адресов в команде может указываться как неявно, кодом команды, так и явно, специальными признаками.

УУ с безадресным форматом команд применяются в ЭВМ, имеющих стековую (магазинную) память.

7. Способ построения управляющего автомата – схемные УУ; микропрограммные УУ.

Схемные УУ строятся на основе распределителей импульсов или микропрограммных автоматов Мили и Мура.

В микропрограммных УУ имеется специальный блок постоянной памяти, в котором записаны микропрограммы всех выполняемых ЭВМ команд, пультовых и других операций. Такие УУ иногда называют устройствами управления с программируемой логикой.

8. Способ реализации команд  – централизованные УУ; распределенные УУ.

При централизованном управлении все управляющие сигналы, необходимые для выполнения любой команды, вырабатываются одним управляющим автоматом, что характерно для ЭВМ с микропрограммными УУ.

При распределенном управлении в отдельных устройствах ЭВМ, например в АЛУ, имеются собственные управляющие сигналы, необходимые для работы этих устройств.

Возможны и другие классификационные признаки УУ, связанные с особенностями операционной части процессора и другими отличительными чертами ЭВМ.

УУ с жесткой логикой

УУ, построенные на жесткой логике, исторически появились первыми. Основным преимуществом таких УУ является их быстродействие. Именно поэтому абсолютное большинство специализированных процессоров, особенно предназначенных для обработки информации в режиме реального времени, имеют УУ на жесткой логике. Под специализированными понимаются процессоры, предназначенные для выполнения узкого набора специальных функций с максимальной скоростью.