Алгоритм, написанный пользователем программы, в конечном счете реализуется в виде машинных команд. Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага. В ходе команды для сведений о типе операции, адресной информации о нахождении обрабатываемых данных, а также для информации о месте хранения результатов выделяются определенные разряды (поля).
0
КОП
А1
А3
15
0
КОП
А1
А2
А3
23
Форматом команды называется заранее обговоренная структура полей в её кодах, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.
Главным элементом кода команды является код операции (КОП), что определяет, какие действия будут выполнены по данной команде. Под него выделяется N старших разрядов формата. В остальных разрядах размещаются А1 и А2 v адреса операндов. А3 — адрес результата.
Распределение полей в формате команды может изменяться при смене способа адресации. Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на:
безадресные
одно-, двух-, трехадресные
Длина кода команды измеряется в машинных словах. Чтобы получить возможность работать с минимальным числом адресных полей, результат, к примеру, можно размещать по месту хранения одного из операндов. Либо предварительно размещают один или несколько операндов в специально выделенных регистрах процессора.
Множество реализуемых машинных действий образует её систему команд. Система команд часто определяет области и эффективность применения ЭВМ. Состав и число команд должны быть ориентированы на стандартный набор операций, используемых пользователем для решения своих задач.
По функциональному назначению в системе команд ЭВМ различают следующие группы:
команды передачи данных (обмен входами между регистрами процессора, процессора и оперативной памятью, процессора и периферийными установками).
Команды обработки данных (команды сложения, умножения, сдвига, сравнения-).
Команды передачи управления (команды безусловного и условного перехода).
Команды дополнительные (типа RESET, TEST,-).
Группа команд передачи управления обеспечивает принудительное изменение порядка выполнения команд в программе.
Оттранслированные команды записываются в соседние ячейки памяти в порядке их следования в программе. При естественном порядке выполнения команд в программе, адрес каждой следующей команды определяется по содержимому специального счетчика команд, который входит в состав процессора. Содержимое этого счетчика автоматически наращивается на 1 при выполнении очередной команды. При организации ветвления цикла или для перехода на подпрограмму в счетчик в счетчик команд принудительно записывается адрес перехода, указанный в ходе команды.
Большинство алгоритмов может быть реализовано небольшим базовым набором команд. Вместе с тем система команд должна быть полной, т.е. содержать все команды, которые необходимы для интерпретации алгоритма в машинных кодах. ЭВМ общего назначения имеет универсальный набор команд и применяется в основном для решения тривиальных (стандартных) задач.
Существуют 2 различных принципа поисков операндов в памяти: ассоциативный и адресный.
Ассоциативный поиск (поиск по содержанию запоминающей ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кода, содержащего заданный командой ассоциативный признак.
Адресный поиск предполагает, что операнд находится по адресу, указанному в адресном поле команд.
Исполнительным адресом операнда называется двоичный код номера ячейки памяти, по которому будет записан или считан оператором.
Адресным кодом команды называется двоичный код в адресном поле команды, с помощью которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда. В ЭВМ адресный код и исполнительный адрес не совпадают, поэтому способ адресации можно определить, как способ формирования исполнительного адреса по адресному коду команды.
Способы адресации классифицируют:
по наличию адресной информации в команде (явная и неявная адресация).
по кратности обращения в оперативную память.
по способу формирования адресов ячеек памяти.
При явной адресации операнда в команде есть поле адреса этого операнда.
При неявной v адресное поле в команде отсутствует, а адрес операнда подразумевается кодом операции. Например, из команды может быть исключен адрес приемника адресата, при этом подразумевается, что результат записывается на месте второго операнда.
По кратности обращения в оперативную память различают:
непосредственную адресацию (direct addressing)
прямую адресацию (immediate addressing)
косвенную адресацию (indirect addressing)
Непосредственная адресация
При непосредственной адресации операнд располагается непосредственно в адресном поле команды.
Прямая адресация
При прямой адресации обращение за операндом производится по адресному коду в поле команды. При этом исполнительный адрес совпадает с адресом кода команды.
Косвенная адресация
При косвенной адресации код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится не сам операнд, а его адрес, называемый указателем.
Способы формирования адресов ячеек памяти можно разделить на абсолютные и относительные.
Абсолютные способы формирования предполагают, что двоичный код адреса ячейки памяти может быть целиком извлечен либо из адресного поля команды, либо из какой-нибудь другой ячейки в случае косвенной адресации.
Относительные способы формирования предполагают, что двоичный код адресной ячейки памяти образуется из нескольких составляющих:
Б v код базы, И v код индекса, С v код смещения.
Эти составляющие используются в различных сочетаниях.
Относительная адресация
При относительной адресации применяется способ вычисления адреса путем суммирования кодов, составляющих адрес.
Для работы программ с массивами, требующими однотипных операций над элементами массива, удобно использовать индексную адресацию.
Адрес i-того операнда в массиве определяется как сумма начального адреса массива операнда, задаваемого смещением S, и индекса I , записанного в одном из регистров регистровой памяти, называемым индексным регистром.
Адрес индексного регистра задается в команде полем адреса индекса Аи.
В каждом i-том цикле содержимое индексного регистра изменяется на постоянную величину, как правило, это 1.
В некоторых моделях ЭВМ относительная адресация выполняется без суммирования по следующей схеме:
При автоиндексации косвенный адрес, находящийся в регистре РП, автоматически увеличивается (автоинкрементная адресация), или уменьшается (автодекрементная адресация) на постоянную величину до или после выполнения операции.
Стековая память широко используется в современных ЭВМ. Хотя адрес обращения в стек отсутствует в команде, он формируется схемой управления:
Для чтения записи доступен только один регистр v вершина стека. Этот способ адресации используется, в частности, системой прерывания программ при вложенных вызовах подпрограмм.
Стековая память реализуется на основе обычной памяти с использованием указателя стека и автоиндексной адресации.
Запись в стек производится с использованием автодекрементной адресации, а чтение — с использованием автоинкрементной адресации.
Источник
Способы адресации команд процессора
Основная функция любого процессора, ради которой он и создается, — это выполнение команд. Система команд, выполняемых процессором, представляет собой нечто подобное таблице истинности логических элементов или таблице режимов работы более сложных логических микросхем. То есть она определяет логику работу процессора и его реакцию на те или иные комбинации внешних событий.
Написание программ для микропроцессорной системы — важнейший и часто наиболее трудоемкий этап разработки такой системы. А для создания эффективных программ необходимо иметь хотя бы самое общее представление о системе команд используемого процессора. Самые компактные и быстрые программы и подпрограммы создаются на языке Ассемблер, использование которого без знания системы команд абсолютно невозможно, ведь язык Ассемблер представляет собой символьную запись цифровых кодов машинного языка, кодов команд процессора. Конечно, для разработки программного обеспечения существуют всевозможные программные средства. Пользоваться ими обычно можно и без знания системы команд процессора. Чаще всего применяются языки программирования высокого уровня, такие как Паскаль и Си. Однако знание системы команд и языка Ассемблер позволяет в несколько раз повысить эффективность некоторых наиболее важных частей программного обеспечения любой микропроцессорной системы — от микроконтроллера до персонального компьютера.
Именно поэтому в данной главе мы рассмотрим основные типы команд, имеющиеся у большинства процессоров, и особенности их применения.
Каждая команда, выбираемая (читаемая) из памяти процессором, определяет алгоритм поведения процессора на ближайшие несколько тактов. Код команды говорит о том, какую операцию предстоит выполнить процессору и с какими операндами (то есть кодами данных), где взять исходную информацию для выполнения команды и куда поместить результат (если необходимо). Код команды может занимать от одного до нескольких байт, причем процессор узнает о том, сколько байт команды ему надо читать, из первого прочитанного им байта или слова. В процессоре код команды расшифровывается и преобразуется в набор микроопераций, выполняемых отдельными узлами процессора. Но разработчику микропроцессорных систем это знание не слишком важно, ему важен только результат выполнения той или иной команды.
3.1. Адресация операндов
Большая часть команд процессора работает с кодами данных (операндами). Одни команды требуют входных операндов (одного или двух), другие выдают выходные операнды (чаще один операнд). Входные операнды называются еще операндами-источниками, а выходные называются операндами-приемниками. Все эти коды операндов (входные и выходные) должны где-то располагаться. Они могут находиться во внутренних регистрах процессора (наиболее удобный и быстрый вариант). Они могут располагаться в системной памяти (самый распространенный вариант). Наконец, они могут находиться в устройствах ввода/вывода (наиболее редкий случай). Определение места положения операндов производится кодом команды. Причем существуют разные методы, с помощью которых код команды может определить, откуда брать входной операнд и куда помещать выходной операнд. Эти методы называются методами адресации. Эффективность выбранных методов адресации во многом определяет эффективность работы всего процессора в целом.
3.1.1. Методы адресации
Количество методов адресации в различных процессорах может быть от 4 до 16. Рассмотрим несколько типичных методов адресации операндов, используемых сейчас в большинстве микропроцессоров.
Непосредственная адресация (рис. 3.1) предполагает, что операнд (входной) находится в памяти непосредственно за кодом команды. Операнд обычно представляет собой константу, которую надо куда-то переслать, к чему-то прибавить и т.д. Например, команда может состоять в том, чтобы прибавить число 6 к содержимому какого-то внутреннего регистра процессора. Это число 6 будет располагаться в памяти, внутри программы в адресе, следующем за кодом данной команды сложения.
Рис. 3.1. Непосредственная адресация.
Прямая (она же абсолютная) адресация (рис. 3.2) предполагает, что операнд (входной или выходной) находится в памяти по адресу, код которого находится внутри программы сразу же за кодом команды. Например, команда может состоять в том, чтобы очистить (сделать нулевым) содержимое ячейки памяти с адресом 1000000. Код этого адреса 1000000 будет располагаться в памяти, внутри программы в следующем адресе за кодом данной команды очистки.
Рис. 3.2. Прямая адресация.
Регистровая адресация (рис. 3.3) предполагает, что операнд (входной или выходной) находится во внутреннем регистре процессора. Например, команда может состоять в том, чтобы переслать число из нулевого регистра в первый. Номера обоих регистров (0 и 1) будут определяться кодом команды пересылки.
Косвенно-регистровая (она же косвенная) адресация предполагает, что во внутреннем регистре процессора находится не сам операнд, а его адрес в памяти (рис. 3.4). Например, команда может состоять в том, чтобы очистить ячейку памяти с адресом, находящимся в нулевом регистре. Номер этого регистра (0) будет определяться кодом команды очистки.
Рис. 3.3. Регистровая адресация.
Рис. 3.4. Косвенная адресация.
Реже встречаются еще два метода адресации.
Автоинкрементная адресация очень близка к косвенной адресации, но отличается от нее тем, что после выполнения команды содержимое используемого регистра увеличивается на единицу или на два. Этот метод адресации очень удобен, например, при последовательной обработке кодов из массива данных, находящегося в памяти. После обработки какого-то кода адрес в регистре будет указывать уже на следующий код из массива. При использовании косвенной адресации в данном случае пришлось бы увеличивать содержимое этого регистра отдельной командой.
Автодекрементная адресация работает похоже на автоинкрементную, но только содержимое выбранного регистра уменьшается на единицу или на два перед выполнением команды. Эта адресация также удобна при обработке массивов данных. Совместное использование автоинкрементной и автодекрементной адресаций позволяет организовать память стекового типа (см. раздел 2.4.2).
Из других распространенных методов адресации можно упомянуть об индексных методах, которые предполагают для вычисления адреса операнда прибавление к содержимому регистра заданной константы (индекса). Код этой константы располагается в памяти непосредственно за кодом команды.
Отметим, что выбор того или иного метода адресации в значительной степени определяет время выполнения команды. Самая быстрая адресация — это регистровая, так как она не требует дополнительных циклов обмена по магистрали. Если же адресация требует обращения к памяти, то время выполнения команды будет увеличиваться за счет длительности необходимых циклов обращения к памяти. Понятно, что чем больше внутренних регистров у процессора, тем чаще и свободнее можно применять регистровую адресацию, и тем быстрее будет работать система в целом.
3.1.2. Сегментирование памяти
Говоря об адресации, нельзя обойти вопрос о сегментировании памяти, применяемой в некоторых процессорах, например в процессорах IBM PC-совместимых персональных компьютеров.
В процессоре Intel 8086 сегментирование памяти организовано следующим образом.
Вся память системы представляется не в виде непрерывного пространства, а в виде нескольких кусков — сегментов заданного размера (по 64 Кбайта), положение которых в пространстве памяти можно изменять программным путем.
Для хранения кодов адресов памяти используются не отдельные регистры, а пары регистров:
сегментный регистр определяет адрес начала сегмента (то есть положение сегмента в памяти);
регистр указателя (регистр смещения) определяет положение рабочего адреса внутри сегмента.
При этом физический 20-разрядный адрес памяти, выставляемый на внешнюю шину адреса, образуется так, как показано на рис. 3.5, то есть путем сложения смещения и адреса сегмента со сдвигом на 4 бита. Положение этого адреса в памяти показано на рис. 3.6.
Сегмент может начинаться только на 16-байтной границе памяти (так как адрес начала сегмента, по сути, имеет четыре младших нулевых разряда, как видно из рис. 3.5), то есть с адреса, кратного 16. Эти допустимые границы сегментов называются границами параграфов.
Отметим, что введение сегментирования, прежде всего, связано с тем, что внутренние регистры процессора 16-разрядные, а физический адрес памяти 20-разрядный (16-разрядный адрес позволяет использовать память только в 64 Кбайт, что явно недостаточно). В появившемся в то же время процессоре MC68000 фирмы Motorola внутренние регистры 32-разрядные, поэтому там проблемы сегментирования памяти не возникает.
Рис. 3.5. Формирование физического адреса памяти из адреса сегмента и смещения.
Рис. 3.6. Физический адрес в сегменте (все коды — шестнадцатеричные).
Применяются и более сложные методы сегментирования памяти. Например, в процессоре Intel 80286 в так называемом защищенном режиме адрес памяти вычисляется в соответствии с рис. 3.7.
В сегментном регистре в данном случае хранится не базовый (начальный) адрес сегментов, а коды селекторов, определяющие адреса в памяти, по которым хранятся дескрипторы (то есть описатели) сегментов. Область памяти с дескрипторами называется таблицей дескрипторов. Каждый дескриптор сегмента содержит базовый адрес сегмента, размер сегмента (от 1 до 64 Кбайт) и его атрибуты. Базовый адрес сегмента имеет разрядность 24 бит, что обеспечивает адресацию 16 Мбайт физической памяти.
Рис. 3.7. Адресация памяти в защищенном режиме процессора Intel 80286.
Таким образом, на сумматор, вычисляющий физический адрес памяти, подается не содержимое сегментного регистра, как в предыдущем случае, а базовый адрес сегмента из таблицы дескрипторов.
Еще более сложный метод адресации памяти с сегментированием использован в процессоре Intel 80386 и в более поздних моделях процессоров фирмы Intel. Этот метод иллюстрируется рис. 3.8.
Адрес памяти (физический адрес) вычисляется в три этапа. Сначала вычисляется так называемый эффективный адрес (32-разрядный) путем суммирования трех компонентов: базы, индекса и смещения (Base, Index, Displacement), причем возможно умножение индекса на масштаб (Scale). Эти компоненты имеют следующий смысл:
Рис. 3.8. Формирование физического адреса памяти процессора 80386 в защищенном режиме.
смещение — это 8-, 16- или 32-разрядное число, включенное в команду.
база — это содержимое базового регистра процессора. Обычно оно используется для указания на начало некоторого массива.
индекс — это содержимое индексного регистра процессора. Обычно оно используется для выбора одного из элементов массива.
масштаб — это множитель (он может быть равен 1, 2, 4 или 8), указанный в коде команды, на который перед суммированием с другими компонентами умножается индекс. Он используется для указания размера элемента массива.
Затем специальный блок сегментации вычисляет 32-разрядный линейный адрес, который представляет собой сумму базового адреса сегмента из сегментного регистра с эффективным адресом. Наконец, физический 32-битный адрес памяти образуется путем преобразования линейного адреса блоком страничной переадресации, который осуществляет перевод линейного адреса в физический страницами по 4 Кбайта.
В любом случае сегментирование позволяет выделить в памяти один или несколько сегментов для данных и один или несколько сегментов для программ. Переход от одного сегмента к другому сводится всего лишь к изменению содержимого сегментного регистра. Иногда это бывает очень удобно. Но для программиста работать с сегментированной памятью обычно сложнее, чем с непрерывной, несегментированной памятью, так как приходится следить за границами сегментов, за их описанием, переключением и т.д.
3.1.3. Адресация байтов и слов
Многие процессоры, имеющие разрядность 16 или 32, способны адресовать не только целое слово в памяти (16-разрядное или 32-разрядное), но и отдельные байты. Каждому байту в каждом слове при этом отводится свой адрес.
Так, в случае 16-разрядных процессоров все слова в памяти (16-разрядные) имеют четные адреса. А байты, входящие в эти слова, могут иметь как четные адреса, так и нечетные.
Например, пусть 16-разрядная ячейка памяти имеет адрес 23420, и в ней хранится код 2А5Е (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Адресация слов и байтов.
При обращении к целому слову (с содержимым 2А5Е) процессор выставляет адрес 23420. При обращении к младшему байту этой ячейки (с содержимым 5Е) процессор выставляет тот же самый адрес 23420, но использует команду, адресующую байт, а не слово. При обращении к старшему байту этой же ячейки (с содержимым 2А) процессор выставляет адрес 23421 и использует команду, адресующую байт. Следующая по порядку 16-разрядная ячейка памяти с содержимым 487F будет иметь адрес 23422, то есть опять же четный. Ее байты будут иметь адреса 23422 и 23423.
Для различия байтовых и словных циклов обмена на магистрали в шине управления предусматривается специальный сигнал байтового обмена. Для работы с байтами в систему команд процессора вводятся специальные команды или предусматриваются методы байтовой адресации.
