Тема 5_2010__Процессоры (Лекции (ещё одни)), страница 3

В каждомцикле R2 получаетприращение dАналогичнапредыдущей. Обемогутиспользоваться дляR2 = R2+dАвтодекрементнаяAdd R1,(R2)–R2 = R2–dR1 = R1+M(R2)Базовая индекснаясо смещением имасштабированиемAddR1=R1+M(100)+R2+R3*dреализации стекаДля индексациимассивовR1,100(R2)(R3)Адресация непосредственных данных и литерных констант обычнорассматривается как один из методов адресации памяти (хотя значения данных, ккоторым в этом случае производятся обращения, являются частью самой командыи обрабатываются в общем потоке команд).В табл. 3.2 на примере команды сложения (Add) приведены наиболееупотребительные названия методов адресации, хотя при описании архитектуры вдокументации производители компьютеров и ПО используют разные названиядля этих методов. В табл. 3.2. знак "=" используется для обозначения оператораприсваивания, а буква M обозначает память (Memory).

Таким образом M(R1)обозначает содержимое ячейки памяти, адрес которой определяется содержимымрегистра R1.Использование сложных методов адресации позволяет существенносократить количество команд в программе, но при этом значительноувеличивается сложность аппаратуры.Команды традиционного машинного уровня можно разделить на несколькотипов, которые показаны в табл.

3.3.Таблица 3.3. Основные типы командТип операцииАрифметическиеи логическиеПримерыЦелочисленные арифметические и логическиеоперации: сложение, вычитание, логическоесложение, логическое умножение и т. д.Пересылки данныхОперации загрузки/записиУправление потоком Безусловные и условные переходы, вызовы процедуркоманди возвратыСистемные операцииСистемные вызовы, команды управлениявиртуальной памятью и т. д.Операции сОперации сложения, вычитания, умножения иплавающей точкойделения над вещественными числамиДесятичныеДесятичное сложение, умножение, преобразованиеоперацииформатов и т.

д.Операции надПересылки, сравнения и поиск строкстрокамиТип операнда может задаваться либо кодом операции в команде, либо спомощью тега, который хранится вместе с данными и интерпретируетсяаппаратурой во время обработки данных.Обычно тип операнда (целый, вещественный, символ) определяет и егоразмер. Как правило, целые числа представляются в дополнительном коде.

Длязадания символов компания IBM использует код EBCDIC, другие компанииприменяют код ASCII. Для представления вещественных чисел с одинарной идвойной точностью придерживаются стандарта IEEE 754.В ряде процессоров применяют двоично - кодированные десятичные числа,которые представляют в упакованном и неупакованном форматах. Упакованныйформат предполагает, что для кодирования цифр 0 – 9 используют 4 разряда и дведесятичные цифры упаковываются в каждый байт.

В неупакованном форматебайт содержит одну десятичную цифру, которая обычно изображается всимвольном коде ASCII.3.5. Компьютеры со стековой архитектуройПри создании компьютера одновременно проектируют и систему команд(СК) для него. Существенное влияние на выбор операций для их включения в СКоказывают:• элементная база и технологический уровень производствакомпьютеров;• класс решаемых задач, определяющий необходимый набор операций,воплощаемых в отдельные команды;• системы команд для компьютеров аналогичного класса;• требования к быстродействию обработки данных, что может породитьсоздание команд с большой длиной слова (VLIW-команды).Анализ задач показывает, что в смесях программ доминирующую рольиграют команды пересылки и процессорные команды, использующие регистры ипростые режимы адресации.На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующиеструктуры команд: одноадресные (1A), двухадресные (2A), трехадресные (3A),безадресные (БА), команды с большой длиной слова (VLIW – БДС) (рис.

3.1):1А ∼КОПА12А ∼КОПА1А23А ∼КОПА1А2БА ∼КОПА3КОПБДС ∼АдресаТегиДескрипторыРис. 3.1. Структуры командПричем операнд может указываться как адресом, так и непосредственно вструктуре команды.В случае БА-команд операнды выбираются и результаты помещаются в стек(магазин, гнездо). Типичными первыми представителями БА-компьютеровявляются KDF-9 и МВК "Эльбрус". Их характерной особенностью являетсяналичие стековой памяти.Стек – это область оперативной памяти, которая используется длявременного хранения данных и операций. Доступ к элементам стекаосуществляется по принципу FILO (first in, last out) – первым вошел, последнимвышел. Кроме того, доступ к элементам стека осуществляется только через еговершину, т.

е. пользователю "виден" лишь тот элемент, который помещен в стекпоследним.Рассмотрим функционирование процессора со стековой организациейпамяти.При выполнении различных вычислительных процедур процессориспользует либо новые операнды, до сих пор не выбиравшиеся из памятикомпьютера, либо операнды, употреблявшиеся в предыдущих операциях. Впроцессорах с классической структурой обращение к любому операнду (1A-ЭВМ)требует цикла памяти.Рассмотрим пример.Пусть процессор вычисляет значение выраженияПрограмма решения этой задачи для одноадресного компьютера можетбыть следующей (табл. 3.4).Таблица 3.4. Пример программыНомеркоманды1КомандаКомментарии234– рабочая ячейка56– рабочая ячейка78910Замечание.

Выполнение команды типаподразумевает, чторезультат операции помещается в первый регистр, в данном случае врегистрКак следует из приведенной программы, операнд a выбирается из памяти 2раза (команды 4 и 5), b – 3 раза (команды 2, 7 и 8). Кроме того, потребовалисьдополнительные обращения к памяти для запоминания и вызова из памятирезультатов промежуточных вычислений (команды 3, 6, 9, 10).Если главным фактором, ограничивающим быстродействие компьютера,является время цикла памяти, то необходимость в дополнительных обращениях кпамяти значительно снижает скорость его работы.

Очевидно, что принципиальнонеобходимы только обращения к памяти за данными в первый раз. В дальнейшемони могут храниться в триггерных регистрах или СОЗУ.Указанные соображения получили свое воплощение в ряде логическихструктур процессора. Одна из них – процессор со стековой памятью. Принцип ееработы поясняет схема, представленная на рис. 3.2.Стековая память представляет собой набор из n регистров, каждый изкоторых способен хранить одно машинное слово. Одноименные разрядырегистров P1, P2, ..., Pn соединены между собой цепями сдвига. Поэтому весьнабор регистров может рассматриваться как группа n-разрядных сдвигающихрегистров, составленных из одноименных разрядов регистров P1, P2, ..., Pn.Информация в стеке может продвигаться между регистрами вверх и вниз.Движение вниз: (P1) → P2, (P2) → P3, ..., а P1 заполняется данными изглавной памяти.Движение вверх: (Pn) → Pn-1, (Pn-1) → Pn-2, а Pn заполняется нулями.Рис.

3.2. Стековая организация процессораРегистры P1 и P2 связаны с АЛУ, образуя два операнда для выполненияоперации. Результат операции записывается в P1. Следовательно, АЛУ выполняетоперацию.Одновременно с выполнением арифметической операции (АО)осуществляется продвижение операндов вверх, не затрагивая P1, т.

е. (P3) → P2,(P4) → P3 и т. д.Таким образом, АО используют подразумеваемые адреса, что уменьшаетдлину команды. В принципе, в команде достаточно иметь только поле,определяющее код операции. Поэтому компьютеры со стековой памятьюназывают безадресными. В то же время команды, осуществляющие вызов илизапоминание информации из главной памяти, требуют указания адреса операнда.Поэтому в ЭВМ со стековой памятью используются команды переменной длины.Например, в KDF-9 команды АО – однослоговые, команды обращения к памяти и передач управления– трехслоговые, остальные – двуслоговые.Команды располагаются в памяти в виде непрерывного массива слоговнезависимо от границ ячеек памяти.

Это позволяет за один цикл обращения кпамяти вызвать несколько команд.Для эффективного использования возможностей такой памяти в ЭВМвводятся спецкоманды:•дублирование ∼ (P1) → P2, (P2) → P3, ... и т. д., а (P1) остается при этомнеизменным;•реверсирование ∼ (P1) → P2, а (P2) → P1, что удобно для выполнениянекоторых операций.Рассмотрим тот же пример для новой ситуации (табл. 3.5):.Таблица 3.5.

Реализация программы со стековой памятью№КомандаP1P2п/п123456789101112Вызов bДублированиеВызов cСложениеРеверсированиеДублированиеУмножениеВызов aДублированиеУмножениеСложениеДелениеbbcb+cbbb2aaa2a2+b2BBBb+cBb+cb2Ab2b+cP3P4Bb+cb+cb2b+cb+cКак следует из табл.

3.5, понадобились лишь три обращения к памяти длявызова операндов (команды 1, 3, 8). Меньше обращений принципиальноневозможно. Операнды и промежуточные результаты поступают для операций вАУ из стековой памяти; 9 команд из 12 являются безадресными.Вся программа размещается в трех 48-разрядных ячейках памяти.Главное преимущество использования магазинной памяти состоит в том,что при переходе к подпрограммам (ПП) или в случае прерывания нетнеобходимости в специальных действиях по сохранению содержимогоарифметических регистров в памяти. Новая программа может немедленно начатьработу.