Наше небольшое исследование показало, что архитектура ЭВМ с безадресными командами даёт наиболее компактные программы. В начале развития вычислительной техники такие компьютеры были весьма распространены, их, в частности, выпускала известная фирма Барроуз (Burroughs). Однако в дальнейшем были предложены ЭВМ с другой архитектурой, которая позволяла писать не менее компактные программ, и в настоящее время стековые ЭВМ используются редко.

Дробноадресная архитектура

Далее мы рассмотрим архитектуру ЭВМ, которые называются компьютерами с адресуемыми регистрами, в русскоязычной литературе они часто называются дробноадресными [3,4] (смысл этого названия мы скоро выясним). Эти компьютеры должны давать возможность писать такие же компактные программы, как и компьютеры с безадресной системой команд, но при этом они обладают рядом дополнительных достоинств.

Компьютеры дробноадресной архитектуры нарушают один из принципов фон Неймана – принцип однородности памяти. Будем считать, что память, к которой может непосредственно обращаться центральный процессор, состоит из двух частей, каждая со своей независимой нумерацией ячеек. Одна из этих частей называется адресуемой регистровой памятью и имеет небольшой объём (порядка десятков ячеек), а другая называется основной (оперативной) памятью большого объёма. Ячейка каждого из видов памяти имеет свой адрес, но в случае с маленькой регистровой памятью этот адрес имеет размер в несколько раз меньший, чем адрес ячейки основной памяти.

Например, рассмотрим двухадресную ЭВМ, в которой регистровая память состоит из 16 ячеек, тогда адрес каждого регистра лежит в диапазоне 0–15 и будет помещаться в 4 бита, а основная память содержит 2²⁰ ячеек и её адрес занимает 20 двоичных разрядов. В такой ЭВМ в качестве адресов операндов каждой команды могут быть или адреса двух регистров, или адрес регистра и адрес ячейки основной памяти. Адреса регистров на схемах команд будем обозначать R1 и R2, а адрес основной памяти - A1 или A2. Команды первого вида будем называть командами формата регистр-регистр (обозначается RR), а вторые – формата регистр-память (обозначается RX). В этом случае для одного кода операции (например, сложения) мы получим команды двух форматов длины 2 и 4 байта соответственно:

КОП	R1	R2	= 2 байта
1 байт	1 байт

КОП	R1	A2	= 4 байта
8 бит	4 бита	20 бит

В качестве преимущества этой архитектуры нужно отметить, что ячейки регистровой памяти размещаются внутри центрального процессора, и, имея статус регистров, позволяют производить на них арифметические и логические операции (что, как мы помним, в основной памяти невозможно). Кроме того, это обеспечивает быстрый доступ к хранимым на регистрах данным (не требуется делать обмен с расположенной отдельно от центрального процессора основной памятью).

Скажем теперь, что такая архитектура получила название дробноадресной потому, что адрес ячейки регистровой памяти составляет какую-то часть адреса ячейки большой основной памяти. В нашем примере соответствующее отношение равно правильной дроби 1/5.

Из рассмотренного выше можно сделать вывод, что при программировании на ЭВМ с такой архитектурой желательно как можно чаще оперировать с регистровой памятью и как можно реже обращаться к большой основной памяти, такого принципа мы и будем придерживаться. Теперь для нашей дробноадресной машины составим фрагмент программы, который реализует арифметический оператор присваивания x:=a/(a+b)² . Мнемонические коды операций задают арифметические операции с обычным смыслом. Точка с запятой, как это принято в языке Ассемблера, задаёт комментарий к команде:

...

СЧ R1,a; R1 := a

СЧ R2,b; R2 := b

СЛ R2,R1; R2 := b+a=a+b}

УМН R2,R2; R2 := (a+b)²}

ДЕЛ R1,R2; R1 := a/(a+b)²}

ЗП x,R1; x := R1= a/(a+b)²}

...

Длина этого фрагмента программы равна 3*4+3*2 = 18 байт. Как видим, данная архитектура не уступает стековой (безадресной) архитектуре по длине получаемых программ.

Рассмотрим теперь недостатки дробноадресной архитектуры ЭВМ. Если ранее для каждой арифметической операции было необходимо реализовать по одной команде для целых и вещественных чисел, то теперь число этих команд возросло вдвое из-за необходимости реализовывать эти команды как в формате RR, так и в формате RX. Это приводит к существенному усложнению устройства управления, которое отныне должно поддерживать бόльшее количество операций.

Однако преимущества дробноадресной архитектуры настолько очевидны, что её имеют большинство современных машин. Разумеется, в них есть и много новых особенностей, некоторые из которых мы рассмотрим далее в нашем курсе.

Способы адресации

При работе с дробноадресной архитектурой мы встречаемся с командами разного формата (и, соответственно, разной длины). Как говорится, современные ЭВМ обладают многообразием форматов команд. Например, в тех компьютерах, на которых Вы сейчас выполняете свои практические рабо­ты, реализованы более десяти форматов, длина команд составляет от 1 до 6 байт.

Введём следующее определение. Способ адресации – это способ задания операндов внутри машинной команды. Другими словами это правила, по которым заданные в команде (двоичные) числа определяют местонахождение и значение операндов для данной команды. Как правило, способ адресации операндов определяется только кодом операции команды. Для лучшего понимания этого понятия рассмотрим операцию сложения двух чисел в одноадресной ЭВМ. Мнемоника кодов операций будет указывать на способ адресации.

• Прямой способ адресации.

СЛ

2

{S := S + <2>}

При этом способе адресации число на месте операнда задаёт адрес ячейки основной памяти, в котором и содержащей необходимый в команде операнд. Мы будем в угловых скобках обозначать содержимое ячейки основной памяти с данным адресом. Так, в приведённом выше примере <2> обозначает содержимое ячейки с адресом 2.

• Непосредственный способ адресации.

СЛН

2

{S := S + 2}

При таком способе адресации параметр является, как говорят, непосредственным операндом. Разумеется, такие операнды могут быть только (неотрицательными) целыми числами, по длине не превышающими максимального адреса.

• Косвенный способ адресации.

СЛК

2

{S := S + <<2>>}

Здесь число на месте операнда задаёт адрес ячейки памяти, содержимое которой в свою очередь трактуется как целое число – адрес операнда в памяти ЭВМ.

Многообразие форматов данных

Современные ЭВМ позволяют совершать операции над целыми и вещественными числами разной длины. Это вызвано чисто практическими соображениями. Например, если нужное нам целое число помещается в один байт, но неэкономно использовать под его хранение два или более байта. Во избежание такого неоправданного расхода памяти введены соответствующие форматы данных, отражающие представление в памяти ЭВМ чисел разной длины. В зависимости от размера числа, оно может занимать 1, 2, 4 и более байт. Приведённая ниже таблица иллюстрирует многообразие форматов данных (для представления целых чисел).

Размер (байт)	Название формата
1	Короткое
2	Длинное
4	Сверхдлинное

Форматы команд

Для операций с разными способами адресации и разными форматами данных необходимо введение различных форматов команд, которые, естественно, имеют разную длину. Обычно это такие форматы команд:

• регистр – регистр (RR);

• регистр – память, память – регистр (RX);

• регистр – непосредственный операнд в команде (RI);

• память – непосредственный операнд (SI);

• память – память, т.е. оба операнда в основной памяти (SS).

Многообразие форматов команд и данных позволяет писать более компактные и эффективные программы на языке машины, однако, как уже упоминалось, сильно усложняют центральный процессор ЭВМ.

Базирование адресов

Для дальнейшего уменьшения объёма программы современные ЭВМ используют базирование адресов. Изучение этого понятия проведём на следующем примере. Пусть в программе на одноадресной машине необходимо реализовать арифметический оператор присваивания X:=A/(A+B)². Ниже приведена эта часть программы (напомним, что S – регистр сумматора одноадресной ЭВМ):

...

СЧ A; S:=A

СЛ B; S:=A+B

ЗП R; R:=A+B – запись в рабочую переменную

УМ R; S:=(A+B)²

ЗП X; X:=(A+B)²

...

Так как в нашем примере одноадресная ЭВМ имела 2²⁴ ячеек памяти, то будем считать, что наш фрагмент программы располагается где-то примерно в средине памяти. Пусть, например, наши переменные располагаются соответственно в следующих ячейках памяти:

A – в ячейке с адресом 10 000 000

B – в ячейке с адресом 10 000 001

X – в ячейке с адресом 10 000 002

R – в ячейке с адресом 10 000 003

Тогда приведённый выше фрагмент программы будут выглядеть следующим образом:

...

СЧ 10 000 000; S:=A

СЛ 10 000 001; S:=A+B

ЗП 10 000 003; R:=A+B

УМ 10 000 003; S:=(A+B)²

ЗП 10 000 002; X:=(A+B)²

...

Из этого примера видно, что большинство адресов в нашей программе имеют вид B+, где число B назовём базой программы (в нашем случае B=10 000 000), а  – смещением адреса относительно этой базы. Здесь налицо существенная избыточность информации. Очевидно, что в каждой команде необходимо указывать только короткое смещение , а базу хранить отдельно (обычно на каком-то специальном базовом регистре центрального процессора). В системе команд предусмотрим команду загрузки базы:

ЗГБ	A1
8 бит	24 бита

Наш фрагмент программы будет иметь теперь такой вид:

...

ЗГБ 10 000 000

...

СЧ 000; S:=A

СЛ 001; S:=A+B

ЗП 003; R:=A+B

УМ 003; S:=(A+B)²

ЗП 002; X:=(A+B)²

...

Теперь, однако, при выполнении каждого обращения за операндом в основную память, центральный процессор должен вычислять значение адреса этого операнда адреса по формуле A=B+. Это вычисление производится в устройстве управления и, естественно, усложняет его. Например, адрес переменной A=10000001=B+=10⁶+1.

Например, пусть, под запись смещения выделим в команде 12 бит. Будем, как и раньше, обоз­начать операнд в памяти A1 или A2, но помним, что это только смещение относительно базы. Тогда все команды (кроме команды загрузки базы) будут более короткими:

КОП	R1	A2
8 бит	4 бита	12 бит

Схема выполнения такой команды для формата регистр-память:

<R1> := <R1>  <B+A2>

или для формата память-регистр:

<B+A2> := <R1>  <B+A2>

Область, в которой находятся вычисляемые относительно базы ячейки основной памяти, обычно называется сегментом памяти – это сплошной участок памяти, начало которого задаётся в некотором регистре, называемом базовым, или сегментным. Будем далее для определённости называть такие регистры сегментными, а сам приём – сегментированием памяти.

Сегментирование позволяет резко уменьшить объём памяти для хранения программ, но оно имеет и один существенный недостаток: теперь каждая команда может обращаться не к любой ячейки оперативной памяти, а только к тем из них, до которых "дотягивается" смещение. В нашем примере каждая команда может обращаться к диапазону адресов от значения сегментного регистра B до B+2¹²-1. Для доступа к другим ячейкам памяти необходимо записать в сегментный регистр новое значение (как говорят, перезагрузить сегментный регистр). Несмотря на указанный недостаток, практически все современные ЭВМ производят сегментирование памяти. Заметим также, что этот недостаток в большинстве архитектур современных ЭВМ исправляется путём реализации переменной длины смещения (например, разрешается смешение в 1, 2 или 4 байта), что, однако, ещё более увеличивает разнообразие языка команд.

Итак, для осуществления доступа к памяти ЭВМ необходимо, чтобы ячейка, к которой осуществляется доступ, находилась в сегменте, на начало которого указывает сегментный регистр. Современные ЭВМ обеспечивают одновременную работу с несколькими сегментами памяти и, соответственно, имеют несколько сегментных регистров.

В некоторых архитектурах регистры центрального процессора являются универсальными, т.е. каждый из них может быть использован как сегментный или для выполнения любых операций над данными. Сложность центрального процессора при этом существенно повышается, так что во многих архитектурах используются специализированные регистры, т.е. определённые регистры являются сегментными, на других могут производиться операции и т.д.

Ассемблер

Наличие большого количества форматов данных и команд в современных ЭВМ приводит к существенным трудностям при программировании на машинном языке. Для упрощения процесса написания программ для ЭВМ был разработан язык-посредник, названный Ассемблером, который, с одной стороны, должен быть машинно-ориентированным (допускать написание любых машинных программ), а с другой стороны – позволять автоматизировать процесс составления программ в машинном коде. Для перевода с языка Ассемблера на язык машины используется специальная программа-пере­водчик, также называемая Ассемблером (от английского слова “assembler” – “сборщик”). В зависимости от контекста, в разных случаях под словом "Ассемблер" будет пониматься или язык программирования, или программа-переводчик с этого языка на язык машины.

В нашем курсе мы не будем полностью изучать язык Ассемблера, для этого надо обязательно изучить соответствующие учебники [5-8]. Для целей изучения архитектуры ЭВМ нам понадобится только некоторое достаточно небольшое подмножество этого языка, только оно и будет рассматриваться на наших лекциях.

Функции программы-переводчика

Программа-переводчик должна как минимум уметь:

• заменять мнемонические обозначения операций на соответствующие машинные коды операций (например, СЛН  087);

• автоматически распределять память под хранения переменных, что позволяет программисту не заботиться о конкретном адресе переменной, если ему всё равно, где она будет расположена;

• преобразовывать числа, написанные в программе в различных системах счисления во внутреннее машинное представление (в машинную систему счисления).

В конкретном Ассемблере обычно существуют много дополнительных возможностей для более удобного написания программ, однако при этом должны выполняться следующие требования (они вытекают из принципов Фон-Неймана):

• возможность помещать в любое определённое программистом место памяти любую команду или любые данные;

• возможность выполнять любые данные как команды и работать с командами, как с данными (например, складывать команды как числа).

Применение языка Ассемблера

Общеизвестно, что программировать на Ассемблере трудно. Как Вы знаете, сейчас существует много различных языков высокого уровня, которые позволяют затрачивать много меньше усилий при написании программ. Естественно, возникает вопрос, когда у программиста может появиться необходимость использовать Ассемблер при написании программ. В настоящее время можно указать две области, в которых использование языка Ассемблера оправдано, а зачастую и необходимо.

Во-первых, это так называемые машинно-зависимые системные программы, обычно они управляют различными устройствами компьютера (такие программы называются драйверами). В этих системных программах используются специальные машинные команды, которые нет необходимости применять в обычных (или, как говорят прикладных) программах.

Вторая область применения Ассемблера связана с оптимизацией выполнения программ. Очень часто программы-переводчики (компиляторы) с языков высокого уровня дают весьма неэффективную программу на машинном языке. Обычно это касается программ вычислительного характера, в которых большую часть времени выполняется очень небольшой (порядка 3-5%) участок программы (главный цикл). Если переписать этот участок программы на Ассемблере, то скорость работы программы может возрасти в несколько раз. Часто это единственный способ заставить программу дать результата за приемлемое время.

Понятие семейства ЭВМ

Компьютеры могут применяться в самых различных областях человеческой деятельности (эти области часто называются предметными областями). В качестве примеров можно привести область научно-технических расчётов (там много операций с вещественными числами), область экономи­ческих расчётов (там в основном операции над целыми числами и обработка символьной инфор­мации), мультимедийная область (обработка звука, изображения и т.д.), область управле­ния различ­ными сложными устройствами (ракетами, доменными печами и др.)