Адресность и время выполнения программы

 

Время выполнения одной команды складывается из времени выполнения опера­ции и времени обращения к памяти.

Для трехадресной команды последнее суммируется из четырех составляющих времени:

· выборки команды;

· выборки первого операнда;

· выборки второго операнда;

· записи в память результата.

Одноадресная команда требует двух обращений к памяти:

· выборки команды;

· выборки операнда.

Как видно, на выполнение одноадресной команды затрачивается меньше вре­мени, чем на обработку трехадресной команды, однако для реализации одной трех­адресной команды, как правило, нужно три одноадресных. Этих соображений тем не менее не достаточно, чтобы однозначно отдать предпочтение тому или иному варианту адресности. Определяющим при выборе является тип алгоритмов, на преимущественную реализацию которых ориентирована конкретная ВМ.

Адресность и эффективность использования памяти

 

С данных позиций можно отдать предпочтение одноадресным командам, для ко­торых характерна максимальная эффективность использования адресов, так как, например, в командах передачи управления нужен только один адрес.

Способы адресации операндов

 

Вопрос о том, каким образом в адресном поле команды может быть указано место­положение операндов, считается одним из центральных при разработке архитек­туры ВМ. С точки зрения сокращения аппаратурных затрат очевидно стремление разработчиков уменьшить длину адресного поля при сохранении возможностей доступа ко всему адресному пространству. С другой стороны, способ задания ад­ресов должен способствовать максимальному сближению конструктов языков программирования высокого уровня и машинных команд. Все это привело к тому, что в архитектуре системы команд любой ВМ предусмотрены различные способы адресации операндов.

Приступая к рассмотрению способов адресации, вначале определим понятия «исполнительный» и «адресный код».

Исполнительным адресом операнда (Л_исп) называется двоичный код номера ячейки памяти, служащей источником или приемником операнда. Этот код пода­ется на адресные входы запоминающего устройства (ЗУ), и по нему происходит фактическое обращение к указанной ячейке. Если операнд хранится не в основ­ной памяти, а в регистре процессора, его исполнительным адресом будет номер регистра.

Адресный код команды (Л_к) — это двоичный код в адресном поле команды, из которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда.

В современных ВМ исполнительный адрес и адресный код, как правило, не со­впадают, и для доступа к данным требуется соответствующее преобразование. Спо­соб адресации — это способ формирования исполнительного адреса операнда по адресному коду команды. Способ адресации существенно влияет на параметры процесса обработки информации. Одни способы позволяют увеличить емкость адресуемой памяти без удлинения команды, но снижают скорость выполнения операции, другие — ускоряют операции над массивами данных, третьи — упроща­ют работу с подпрограммами и т. д. В сегодняшних ВМ обычно имеется возмож­ность приложения нескольких различных способов адресации операндов к одной и той же операции.

Чтобы устройство управления вычислительной машины могло определить, какой именно способ адресации принят в данной команде, в разных ВМ используются различные приемы. Часто разным способам адресации соответствуют и разные коды операции. Возможно также добавление в состав команды специального поля выбора способа адресации, содержимое которого определяет, какой именно из способов адресации должен быть применен. Иногда в команде имеется нескольких полей — по одному на каждый адрес. Отметим, что возможен также вариант, когда в команде вообще отсутствует адресная информация, то есть имеет место неявная адресация. При неявной адресации адресного поля либо просто нет, либо оно содержит не все необходимые адреса — отсутствующий адрес подразумевается кодом операции. Так, при исключении из команды адреса результата подразумевается, что результат помещается на место второго операнда. Неявная адресация применяется доста­точно широко, поскольку позволяет сократить длину команды.

Выбор способов адресации является одним из важнейших вопросов разработ­ки системы команд и всей ВМ в целом, при этом существенное значение имеет не только удобство программирования, но и эффективность способа. Эффективность способа адресации можно характеризовать двумя показателями: затратами оборудования С и затратами времени Т на доступ к адресуемым данным. Затраты оборудование определяются суммой,

C = С_ВА + С_ЗУ

где С_ВА — затраты аппаратных средств, обеспечивающих вычисление исполнительных адресов; С_ЗУ — затраты памяти на хранение адресных кодов команд. Обычная С_ЗУ >>C_ВА, поэтому при оценке затрат оборудования ограничиваются учетом величины С_ЗУ. Затраты времени Т определяются суммой времени t_ФИА формирования исполнительного адреса и времени t_ЗУ выборки или записи операнда:

Т = t_ФИА + t_ЗУ

В настоящее время используются различные виды адресации, наиболее распро­страненные из которых рассматриваются ниже.

Непосредственная адресация

 

При непосредственной адресации (НА) в адресном поле команды вместо адреса содержится непосредственно сам операнд (рис. 15). Этот способ может приме­няться при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры.

Когда операндом является число, оно обычно представляется в дополнитель­ном коде. При записи в регистр, имеющий разрядность, превышающую длину не­посредственного операнда, операнд размещается в младшей части регистра, а ос­тавшиеся свободными позиции заполняются значением знакового бита операнда

Помимо того, что в адресном поле могут быть указаны только константы, еще одним недостатком данного способа адресации является то, что размер непосред­ственного операнда ограничен длиной адресного поля команды, которое в боль­шинстве случаев меньше длины машинного слова.

В 50-60% команд с непосредственной адресацией длина операнда не превыша­ет 8 бит, а в 75-80% — 16 бит. Таким образом, в подавляющем числе случаев шест­надцати разрядов вполне достаточно, хотя для вычисления адресов могут потре­боваться и более длинные константы.

Непосредственная адресация сокращает время выполнения команды, так как не требуется обращение к памяти за операндом. Кроме того, экономится память, поскольку отпадает необходимость в ячейке для хранения операнда. В плане эф­фективности этот способ можно считать «идеальным» (С_НА = 0, Т_НА = 0), и его мож­но рекомендовать к использованию во всех ситуациях, когда тому не препятству­ют вышеупомянутые ограничения.

Прямая адресация

 

При прямой или абсолютной адресации (ПА) адресный код прямо указывает но­мер ячейки памяти, к которой производится обращение (рис. 22), то есть адресный код совпадает с исполнительным адресом.

 

Рис. 22. Прямая адресация.

 

При всей простоте использования способ имеет существенный недостаток — ограниченный размер адресного пространства, так как для адресации к памяти большой емкости нужно «длинное» адресное поле. Однако более существенным несовершенством можно считать то, что адрес, указанный в команде, не может быть изменен в процессе вычислений (во всяком случае, такое изменение не рекомен­дуется). Это ограничивает возможности по произвольному размещению програм­мы в памяти.

Прямую адресацию характеризуют следующие показатели эффективности: С_ПА = int (log₂N_i), T_ПА = t_ЗУ, где N_i — количество адресуемых операндов.

Косвенная адресация

 

Одним из путей преодоления проблем, свойственных прямой адресации, может служить прием, когда с помощью ограниченного адресного поля команды указы­вается адрес ячейки, в свою очередь, содержащей полноразрядный адрес операнда (рис. 23). Этот способ известен как косвенная адресация (КА). Запись (Л_к) озна­чает содержимое ячейки, адрес которой указан в скобках.

При косвенной адресации содержимое адресного поля команды остается неиз­менным, в то время как косвенный адрес в процессе выполнения программы мож­но изменять. Это позволяет проводить вычисления, когда адреса операндов зара­нее неизвестны и появляются лишь в процессе решения задачи. Дополнительно такой прием упрощает обработку массивов и списков, а также передачу парамет­ров подпрограммам.

Рис. 23. Косвенная адресация.

 

Недостатком косвенной адресации является необходимость в двухкратном об­ращении к памяти: сначала для извлечения адреса операнда, а затем для обраще­ния к операнду (Т_КА = 2 t_ЗУ). Сверх того задействуется лишняя ячейка памяти для хранения исполнительного адреса операнда. Способу свойственны следующие за­траты оборудования:

с_ка = R_яч + int(log₂N_A) = int(log₂(N_A + N_i),

где R_ЯЧ— разрядность ячейки памяти, хранящей исполнительный адрес; N_A — ко­личество ячеек для хранения исполнительных адресов; N_t — количество адресуе­мых операндов. Здесь выражение int(log₂N_A) определяет разрядность сокращен­ного адресного поля команды (обычно N_A << N_i).

В качестве варианта косвенной адресации, правда, достаточно редко использу­емого, можно упомянуть многоуровневую или каскадную косвенную адресацию, когда к исполнительному адресу ведет цепочка косвенных адре­сов. В этом случае один из битов в каждом адресе служит признаком косвенной адресации. Состояние бита указывает, является ли содержимое ячейки очередным адресом в цепочке адресов или это уже исполнительный адрес операнда. Особых преимуществ у такого подхода нет, но в некоторых специфических ситуациях он оказывается весьма удобным, например при обработке многомерных массивов. В то же время очевиден и его недостаток — для доступа к операнду требуется три и болееобращений к памяти.

 

Регистровая адресация

 

Регистровая адресация (РА) напоминает прямую адресацию. Различие состоит в том, что адресное поле инструкции указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора (рис. 24). Идентификатор регистра в дальнейшем будем обозначать буквой R. Обычно размер адресного поля в данном случае составляет три или че­тыре бита, что позволяет указать соответственно на один из 8 или 16 регистров общего назначения (РОН).

Двумя основными преимуществами регистровой адресации являются: корот­кое адресное поле в команде и исключение обращений к памяти. Малое число РОН позволяет сократить длину адресного поля команды, то есть С_РА << С_ПА. Кроме того, Т_РА = t_РОН, где t_РОН — время выборки операнда из регистра общего назначения, при чем t_РОН << 2t_ЗУ. К сожалению, возможности по использованию регистровой адресации ограничены малым числом РОН в составе процессора.

 

Рис. 24. Регистровая адресация.