Шинная организация микропроцессорных систем- с одной шиной, с дв. Программа для эвм это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке

• Название: Программа для эвм это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке
• Дата: 16.04.2023
• Размер: 1.97 Mb.
• Имя файла: Шинная организация микропроцессорных систем- с одной шиной, с дв.docx
• Тип: Программа; #1065457
• страница: 28 из 40

39. Адресация данных в микропроцессорах: представление адресной информации, способы адресации.

Представление адресной информации

Исполнительнымили эффективнымадресомоперанда (EA) называется двоичный код номера ячейки памяти, служащей источником или приемником операнда. 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.

Адресныйкодкоманды – это двоичный код в адресном поле команды, из которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда.

В современных микропроцессорах исполнительный адрес и адресный код, как правило, не совпадают, и для доступа к данным требуется соответствующее преобразование. Способадресации– 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 современных МП обычно имеется возможность применения нескольких различных способов адресации операндов к одной и той же операции.

Чтобы МП мог определить, какой именно способ адресации задан в данной команде, используются различные подходы. При первом подходе разным способам адресации соответствуют разные коды операции. Другой подход – это добавление в состав команды специального поля способа адресации, содержимое которого определяет, какой из способов адресации должен быть применен. Возможен также вариант, когда в команде вообще отсутствует адресная информация, т.е. имеет место неявнаяадресация. 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 одного из операндов. Неявная адресация применяется достаточно широко, поскольку позволяет сократить длину команды.

Способы адресации

В настоящее время используются различные способы адресации, наиболее распространенные из которых рассматриваются ниже. Непосредственнаяадресация. При непосредственной адресации в адресном поле команды вместо адреса содержится непосредственно сам операнд (рис. 60). Этот способ может применяться при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры. 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. Однако в адресном поле могут быть указаны только константы.

Рисунок 60 – Непосредственная адресация

Прямаяадресация. При прямой или абсолютной адресации адресный код прямо указывает номер ячейки памяти, к которой производится обращение, т.е. адресный код совпадает с исполнительным (эффективным) адресом (рис. 61). При всей простоте использования способ имеет существенный недостаток – ограниченный размер адресного пространства, так как для адресации к памяти большой емкости нужно длинное адресное поле. Более существенным недостатком можно считать то, что адрес, указанный в команде, не может быть изменен в процессе вычислений (во всяком случае, такое изменение не рекомендуется).

Рисунок 61 – Прямая адресация

Регистроваяадресация. Регистровая адресация напоминает прямую адресацию. Различие состоит в том, что адресное поле инструкции указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора (рис. 62). 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).



Рисунок 62 – Регистровая адресация

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. К сожалению, возможности по использованию регистровой адресации ограничены малым числом РОН в составе процессора.

Косвеннаярегистроваяадресация. Косвенная адресация – это такой прием, когда адресное поля команды указывает на местоположение эффективного адреса операнда. 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.

Косвенная регистровая адресация представляет собой вариант косвенной адресации, в котором исполнительный адрес операнда задается в регистре процессора. При этом адресное поле команды указывает на этот регистр (рис. 63).

Рисунок 63 – Косвенная регистровая адресация

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

В адресном поле команды содержится константа, смысл которой в разных вариантах адресации со смещением может меняться. Константа может представлять собой некий базовый адрес, к которому добавляется хранящееся в регистре смещение. Допустим и прямо противоположный подход: базовый адрес находится в регистре процессора, а в поле команды указывается смещение относительно этого адреса. В некоторых процессорах для реализации определенных вариантов адресации со смещением предусмотрены специальные регистры, например базовый или индексный. Использование таких регистров предполагается по умолчанию, поэтому адресная часть команды содержит только поле константы. Существуют способы, в которых смещение перед вычислением исполнительного адреса умножается на масштабный коэффициент. В наиболее общем случае адресация со смещением подразумевает наличие двух адресных полей: А_К и R.

Ниже рассматриваются основные способы адресации со смещением, каждый из которых имеет собственное название.

Относительнаяадресация. При относительной адресации для получения исполнительного адреса операнда содержимое подполя А_К команды складывается с содержимым счетчика команд (рис. 64). Таким образом, адресный код в команде представляет собой смещение относительно адреса текущей команды. Следует отметить, что в момент вычисления исполнительного адреса операнда в счетчике команд уже сформирован адрес следующей команды, что нужно учитывать при выборе величины смещения. Обычно поле А_К трактуется как двоичное число со знаком в дополнительном коде.

Рисунок 64 – Относительная адресация

Адресация относительно счетчика команд базируется на свойстве локальности. Это позволяет сэкономить на длине адресной части команды, поскольку разрядность поля АК может быть небольшой. Главное достоинство данного способа адресации состоит в том, что он делает программу перемещаемой в памяти: независимо от текущего расположения программы в адресном пространстве взаимное положение команды и операнда остается неизменным, поэтому адресация операнда остается корректной. Базоваяадресация. В случае базовой адресации регистр, называемый базовым, содержит полноразрядный адрес, а поле А_К – смещение относительно этого адреса (рис. 65). Ссылка на базовый регистр может быть явной или неявной. В некоторых МП имеется специальный базовый регистр и его использование является неявным, т.е. адресное поле R в команде отсутствует. Более типичен случай, когда в роли базового регистра выступает один из регистров общего назначения (РОН), тогда его номер явно указывается в поле R команды.



а – с базовым регистром


б – с использованием РОН Рисунок 65 – Базовая адресация

Базовую 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_К команды в виде смещения относительно начального адреса массива. Достоинство данного способа адресации в том, что смещение может иметь меньшую длину, чем полный адрес, что позволяет сократить длину адресного поля команды.

Индекснаяадресация. При индексной адресации поле А_К содержит адрес памяти, а регистр, называемый индексным(указанный явно или неявно), – смещение относительно этого адреса (рис. 66).



а – с индексным регистром



б – с использованием РОН Рисунок 66 – Индексная адресация

Этот способ адресации похож на базовую адресацию. Поскольку при индексной адресации в поле А_К находится полноразрядный адрес памяти, играющий роль базы, длина этого поля больше, чем при базовой адресации. Тем не менее, вычисление исполнительного адреса операнда производится идентично.

Индексная адресация предоставляет удобный механизм для организации итеративных вычислений и работы с массивами. Так как это довольно типичный случай, в большинстве МП увеличение или уменьшение содержимого индексного регистра до или после обращения к нему осуществляется автоматически как часть машинного цикла. Такой прием называется автоиндексированием.

Если для индексной адресации используются специально выделенные регистры, автоиндексирование может производиться неявно и автоматически. При использовании для хранения индексов регистров общего назначения необходимость операции автоиндексирования должна указываться в команде специальным битом.

Автоиндексирование с увеличением содержимого индексного регистра носит название автоинкрементнойадресации. В первом варианте увеличение содержимого индексного регистра происходит после формирования исполнительного адреса, и этот способ называется поставтоинкрементнойадресацией. Во втором случае сначала производится увеличение содержимого индексного регистра, и уже новое значение используется для формирования исполнительного адреса. Такой способ называется преавтоинкрементнойадресацией.

Автоиндексирование с уменьшением содержимого индексного регистра носит название автодекрементнойадресации. Здесь также возможны два варианта, отличающиеся последовательностью выполнения операций уменьшения содержимого индексного регистра и вычисления исполнительного адреса: поставтодекрементнаяи преавтодекрементнаяадресация.

Интересным и весьма полезным является еще один вариант индексной адресации – индекснаяадресациясмасштабированиемисмещением: содержимое индексного регистра умножается на масштабный коэффициент и суммируется с А_К. Масштабный коэффициент может принимать значения 1, 2, 4 или 8, для чего в адресной части команды выделяется дополнительное поле.

Описанный способ адресации реализован, например, в микропроцессорах фирмы Intel.

Следует особо отметить, что система команд многих МП предоставляет возможность различным образом сочетать базовую и индексную адресации в качестве дополнительных способов адресации.


40.Управление памятью в микропроцессорах: линейная и сегментная адресации, преобразование логических адресов в физические, управление виртуальной памятью.
Линейная и сегментная адресации

В современных МПС размер адресного пространства, требуемого программе для выполнения, может быть достаточно большим, так что число разрядов адреса при этом превышает размер машинного (информационного) слова конкретного процессора. В этом случае при адресации памяти в микропроцессоре возникают две задачи:

• 
  в какой форме размещать адрес в регистрах;
  
• 
  каким образом осуществлять вычисление адреса.
  

Для решения этих задач используют два способа адресации: линейную и сегментную адресации.

По первомуспособу адрес представляет собой отдельное целочисленное значение и в процессоре адреса хранятся в специальных адресных регистрах соответствующей разрядности, превышающей разрядность регистров, используемых для обработки данных. Вычисление адреса осуществляется с помощью операции сложения, приращения и уменьшения слов соответствующей длины, которая превышает длину машинного (информационного) слова. Для этой цели можно несколько раз использовать АЛУ, предназначенное для обработки данных, но для ускорения вычисления адреса лучше использовать отдельный специальный сумматор соответствующей разрядности. Архитектура микропроцессора довольно сложная, но зато удобная, так как все адресное пространство используется как единое целое.

По второмуспособу все пространство адресов делится на множество сегментов. Пространство, разбитое на такие сегменты, называется сегментированнымпространствомадресов. Начальный адрес сегмента называется базовым. За каждым сегментом закреплен соответствующий номер. Порядок разбиения пространства может быть произвольным, но, после того как он установлен, адрес можно представить с помощью номера сегмента и некоторого смещения внутри сегмента. При сегментной адресации такое разбиение позволяет представить адрес в виде двух целочисленных величин – номера сегмента и смещения, т.е. можно использовать два регистра меньшей разрядности (равной разрядности машинного слова), хранящих номера сегментов и значения смещений. Таким образом, вычисление адреса в принципе сводится только к вычислению смещения, т.е. для вычисления адреса можно воспользоваться тем же АЛУ, что и для обработки данных, не прибегая к помощи специальных регистров и сумматоров повышенной разрядности, что значительно упрощает структуру процессора.

Преобразование логических адресов в физические

В целях рационализации процесса программирования программы и данные удобно разбивать на модули. Каждому модулю присваивается соответствующее имя, а адрес внутри модуля представляется некоторым смещением. Такие модули используются в произвольных комбинациях. Программа, разбитая на модули, может быть помещена в любую область основной памяти. При таком подходе пространство адресов удобно представлять в виде сегментированного пространства: если каждый модуль расположить в отдельном сегменте памяти, то обращение к памяти можно осуществлять с помощью номера соответствующего сегмента и смещения. Такой адрес называется логическимадресом. Таким образом, так как программный модуль и модуль данных организуются в виде отдельных сегментов, программирование осуществляется с помощью логических адресов. Когда

выполняется программа, составленная с помощью логических адресов, процессор в качестве адреса, также формирует логический адрес. Однако при обращении к этим сегментам, расположенным в основной памяти, в память надо передавать физический адрес, т.е. необходимо преобразование логического адреса в физический. Для этой цели между процессором и основной памятью помещают устройство, преобразующее логические адреса в физические, которое называется устройствомуправленияпамятью(УУП).

Принцип преобразования логических адресов в физические состоит в следующем. Местоположение сегмента в основной памяти указывается его базовым адресом. Базовый адрес каждого сегмента помещается в УПП. По номеру сегмента из логического адреса УУП находит базовый адрес сегмента, соответствующий его номеру. Физический адрес вычисляется путем сложения найденного базового адреса сегмента и смещения, заданного в логическом адресе:

Физический адрес = Базовый адрес сегмента + Смещение.

Для задания базового адреса сегмента используются дескрипторы(описатели) сегментов. В УУП имеются специальные регистры для хранения дескрипторов сегментов – регистрыдескрипторовсегментов. Число этих регистров определяется числом используемых сегментов. Для выбора регистра служит номер сегмента. Существуют два способа выбора регистров. В соответствие с первым способом для хранения дескрипторов сегментов используется регистровый файл и адресом для выбора регистра служит номер сегмента. При этом, если номер сегмента является n-разрядным, необходимо использовать 2ⁿ регистров.

Второй способ предполагает организацию регистров дескрипторов в виде ассоциативной памяти. В этом случае в памяти

хранятся дескрипторы и соответствующие им номера сегментов. Схемы сравнения имеются во всех регистрах, поэтому сравнение осуществляется параллельно. В этом случае число регистров может быть меньше 2ⁿ.