Непосредственная и прямая адресации

При непосредственной адресации (НА) в адресном поле команды вместо адреса содержится непосредственно сам операнд. Этот способ может применяться при выполнении арифметических операции, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры.
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.
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», и его можно рекомендовать к использованию во всех ситуациях, когда тому не препятствуют вышеупомянутые ограничения.
При прямой или абсолютной адресации (ПА) адресный код прямо указывает номер ячейки памяти, к которой производится обращение, то есть адресный код совпадает с исполнительным адресом.
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. Это ограничивает возможности по произвольному размещению программы в памяти.
Косвенная адресация

Одним из путей преодоления проблем, свойственных прямой адресации, может служить прием, когда с помощью ограниченного адресного поля команды указывается адрес ячейки, содержащей полноразрядный исполнительный адрес операнда. Этот способ известен как косвенная адресация(КА).

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.
Недостатком косвенной адресации является необходимость в двукратном обращении к памяти: сначала для извлечения адреса операнда, а затем для обращения к операнду. Сверх того задействуется лишняя ячейка памяти для хранения исполнительного адреса операнда.
Относительная адресация

Относительная адресация. Этот способ используется тогда, когда память логически разбивается на блоки, называемые сегментами. В этом случае адрес ячейки памяти содержит две составляющих: адрес начала сегмента (базовый адрес) и смещение адреса операнда в сегменте. Адрес операнда определяется как сумма базового адреса и смещения относительно этой базы:

Операнд_i = (база_i + смещение_i).

Для задания базового адреса и смещения могут применяться ранее рассмотренные способы адресации. Как правило, базовый адрес находится в одном из регистров регистровой памяти, а смещение может быть задано в самой команде или регистре.

Рассмотрим два примера.

Рис. 11.7. Относительная адресация Рис. 11.8. Базово-индексная адресация

Главный недостаток относительной адресациии – большое время вычисления физического адреса операнда. Но существенное преимущество этого способа адресации заключается в возможности создания "перемещаемых" программ – программ, которые можно размещать в различных частях памяти без изменения команд программы. В этих случаях достаточно изменить содержимое базового адреса начала команд программы или массива данных, а не модифицировать сами команды. По этой причине относительная адресация облегчает распределение памяти при составлении сложных программ и широко используется при автоматическом распределении памяти в мультипрограммных вычислительных системах.

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. 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 па 8 или 16 регистров общего назначения (РОН).
Косвенная регистровая адресация

Косвенная регистровая адресация(КРА) представляет собой косвенную адресацию, где исполнительный адрес операнда хранится не в ячейке основной памяти, а в регистре процессора. Соответственно, адресное поле команды указывает не на ячейку памяти, а на регистр, как показано на рисунке 2.26.

Адресация со смещением

При адресации со смешением исполнительный адрес формируется в результате суммирования содержимого адресного поля команды с содержимым одного или нескольких регистров процессора.

Адресация со смещениемпредполагает, что адресная часть команды включает в себя как минимум одно поле (А_к). В нем содержится константа, смысл которой в разных вариантах адресации со смешением может меняться. Константа может представлять собой некий базовым адрес, к которому добавляется хранящееся в регистре смещение. Допустим и прямо противоположный подход: базовый адрес находится в регистре процессора, а в поле А_к указывается смещение относительно этого адреса. В некоторых процессорах для реализации определенных вариантов адресации со смешением предусмотрены специальные регистры, например базовый или индексный. Использование таких регистров предполагается по умолчанию, поэтому адресная часть команды содержит только поле А_к.

Если же составляющая адреса может располагаться в произвольном регистре общего назначения, то для указания конкретного регистра в команду включается дополнительное поле R (при составлении адреса более чем из двух составляющих в команде будет несколько таких полей). Еще одно поле Я может появиться в командах, где смещение перед вычислением исполнительного адреса умножается на масштабный коэффициент. Такой коэффициент заносится в один из РОН, на который и указывает это дополнительное поле. В наиболее общем случае адресация со смещением подразумевает наличие двух адресных полей: А_к и R. В рамках адресации со смещением имеется еще один вариант, при котором исполнительный адрес вычисляется не суммированием, а конкатенацией (присоединением) составляющих адреса. Здесь одна составляющая представляет собой старшую часть исполнительного адреса, а вторая – младшую.
Ниже рассматриваются основные способы адресации со смещением, каждый из которых, впрочем, имеет собственное название.
Базовая регистровая адресация

В случае базовой регистровой адресации(БРА) регистр, называемый базовым, содержит полноразрядный адрес, а подполе А_С, - смешение относительно этого адреса. Ссылка на базовый регистр может быть явной или неявной. В некоторых ЭВМ имеется специальным базовый регистр и его использование является неявным, то есть подполе R в команде отсутствует.
Базовую регистровую адресацию обычно используют для доступа к элементам массива, положение которого в памяти в процессе вычислений может меняться. В базовый регистр заносится начальный адрес массива, а адрес элемента массива указывается в подполе А_Скоманды в виде смещения относительно печатного адреса массива. Достоинство данного способа адресации в том, что смещение имеет меньшую длину, чем полный адрес, и это позволяет сократить длину адресного поля команды. Короткое смешение расширяется до полной длины исполнительного адреса путем добавления слева битов, совпадающих со значением знакового разряда смешения.

Индексная адресация

При индексной адресации(ИА) подполе А_С содержит адрес ячейки памяти, а регистр (указанный явно или неявно) – смещение относительно этого адреса. Как видно, этот способ адресации похож на базовую регистровую адресацию. Поскольку при индексной адресации в поле А_Снаходится полноразрядный адрес ячейки памяти, играющий роль базы, длина этого поля больше, чем при базовой регистровой адресации. Тем не менее вычисление исполнительного адреса операнда производится идентично.
Блочная адресация

Блочная адресация используется в командах, для которых единицей обработки служит блок данных, расположенных в последовательных ячейках памяти. Этот способ очень удобен при работе с внешними запоминающими устройствами и в операциях с векторами. Для описания блока обычно берется адрес ячейки, где хранится первый или последний элемент блока, и общее количество элементов блока, заданное числом байтов или ячеек. Вместо длины блока может использоваться специальный признак «конец блока» помещаемый за последним элементом блока.

11. Законы Амдала и Густафсона.

DOP (Degree Of Parallelism)

Степень параллелизма программы – D(t) – число процессоров, участвующих в исполнении рограммы в момент времени t

DOP зависит от алгоритма программы, эффективности компиляции и доступных ресурсов при исполнении

График D(t) – профиль параллелизма программы

 

T(n) – время исполнения программы на n процессорах

T(n)<T(1), если параллельная версия алгоритма эффективна

T(n)>T(1), если накладные расходы (издержки) реализации параллельной версии алгоритма чрезмерно велики

Speedup

Ускорение за счёт параллельного выполнения

S(n) = T(1) / T(n)

Efficiency

Эффективность системы из n процессоров

E(n) = S(n) / n

Случай S(n)=n – линейное ускорение – масштабируемость (Scalability) алгоритма (возможность ускорения вычислений пропорционально числу процессоров)

Случай S(n)>n – суперлинейное ускорение (например, из-за большего коэффициента кеш-попаданий)

 

Закон Амдала

Gene Amdahl (1967)

f – доля последовательной части программы

1-f – доля распараллеливаемой части программы

 

 

Практические ограничения ускорения

Джин Амдал сформулировал закон в 1967 году, обнаружив простое по существу, но непреодолимое по содержанию ограничение на рост производительности при распараллеливании вычислений:

«В случае, когда задача разделяется на несколько частей, суммарное время ее выполнения на параллельной системе не может быть меньше времени выполнения самого длинного фрагмента». Если разделяемая часть кода f может быть равномерно формально распределена по n процессорам, то закономерность может быть записана, как представлено на рис. 1.

Закон определяет теоретически возможную верхнюю границу, но на практике дело обстоит еще хуже – часть ресурсов каждого процессора уходит на обеспечение коллаборативной работы, а шины обладают конечной пропускной способностью.

 

Закон Густафсона

Единственная известная гипотеза о возможности преодоления описанных ограничений была высказана в 1988 году Джоном Густафсоном, но она не распространяется на подмножество фиксированных задач. На основании полученного опыта Густафсон пришел к выводу, что при построении более мощных систем пользователи стремятся не сократить время работы текущей версии задачи, а перейти к новой версии, обеспечивающей более высокое качество решения:

 

S(P)= P – l(P – 1), где P – число процессоров, S – ускорение, l – часть кода, не поддающаяся распараллеливанию.

 

Закон масштабируемого ускорения (Scaled Speedup):

 

Допустим, некоторую конструкцию можно рассчитать методом конечных элементов, и в таком случае, чем меньшим берется размер элемента, тем выше будет точность. Сегодня идеи Густафсона, связанные с совершенствованием методов коммуникации между узлами, реализуются в компании Massively Parallel Technologies (MPT), где, кстати, работает и сам Амдал. Допустимо сказать, что эти методы позволяют преодолеть ограничения закона, названного его именем, но только косвенно.

 

Принцип замены простых задач более сложными, предложенный Густафсоном, скорее экзотика, чем повседневная практика, поэтому в массовых приложениях, на которые рассчитываются многоядерные процессоры, действует закон Амдала.