2.4. Способы адресации информации в ЭВМ
Существует два различных принципа поиска операндов в памяти: ассоциативный и адресный.
Ассоциативный поиск операнда (поиск по содержанию ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кодов, содержащих заданный командой ассоциативный признак (тег). Эти коды и выбираются из памяти в качестве искомых операндов. В современных компьютерах ассоциативная выборка используется в кэш-памяти.
Адресный поиск предполагает, что искомый операнд извлекается из ячейки, номер которой формируется на основе информации в адресном поле команды.
Ниже мы будем рассматривать только реализацию адресного принципа поиска операнда. Следует различать понятия «адресный код» в команде АК и «исполнительный (физический) адрес» АИ. Адресный код – это информация об адресе операнда, содержащаяся в команде. Исполнительный адрес – это номер ячейки памяти, к которой производится фактическое обращение. В современных ЭВМ адресный код, как правило, не совпадает с исполнительным адресом. Таким образом, способ адресации можно определить как способ формирования исполнительного адреса операнда АИ по адресному коду команды АК.
Способов адресации существует много. Параметры процесса обработки информации существенно зависят от выбранного способа адресации. Одни способы адресации позволяют увеличить объём 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 системах команд современных ЭВМ часто предусматривается возможность использования нескольких способов адресации операндов для одной и той же операции. Для указания способа адресации вводятся дополнительные разряды в поле кода операции, длина которого при этом возрастает.
Адресация операнда в команде может быть явной или неявной. При явной адресации в команде есть поле адреса операнда, в котором задается адресный код АК. Большинство методов адресации являются явными.
При неявной адресации адресное поле в команде отсутствует, адрес операнда подразумевается кодом операции. Метод неявной адресации операндов используется во всех процессорах. Основное его назначение – уменьшение длины команды за счет исключения части адресов. При этом методе код операции точно задает адрес операнда. Например, из команды исключается адрес приемника результата. При этом подразумевается, что результат в этой команде помещается на место второго операнда.
Способы формирования адресов ячеек памяти (АИ) можно разделить на абсолютные и относительные.
2.4.1. Абсолютные способы формирования
исполнительного адреса
Абсолютные способы формирования предполагают, что двоичный код адреса ячейки памяти (АИ) может быть извлечен целиком из адресного поля команды или из какой-либо другой ячейки (регистра), никаких преобразований над кодом адреса не производится.
К абсолютным способам относятся непосредственная, прямая и косвенная адресации, которые имеют различную кратность обращения (R) к памяти.
Непосредственная адресация операнда
При этом способе операнд располагается в адресном поле команды. Обращение к регистровой памяти (РП) или ОП за операндом не производится (R = 0), он выбирается вместе с командой. Таким образом, уменьшается время выполнения операции, сокращается объем памяти. Непосредственная адресация удобна для задания констант, длина которых меньше или равна длине адресного поля команды.
Прямая адресация операндов
При этом способе (рис. 2.15) адресации обращение за операндом в РП или ОП производится по адресному коду в поле команды (R = 1), т.е. исполнительный адрес операнда совпадает с адресным кодом команды (АИ = АК).
Рис. 2.15. Схема прямой адресации:
а – к регистровой памяти; б – к основной памяти
Обеспечивая простоту программирования, этот метод имеет существенный недостаток. Для адресации к ячейкам памяти большой емкости требуется «длинное» адресное поле в команде. Прямая адресация широко используется в сочетании с другими способами адресации. В частности, вся адресация к «малой» регистровой памяти ведется только с помощью прямой адресации.
Косвенная адресация операндов
При этом способе адресный код команды указывает адрес ячейки (регистра) памяти, в которой находится не сам операнд, а лишь адрес операнда, называемый указателем операнда. Адресация к операнду через цепочку указателей (косвенных адресов) называется косвенной (R ³ 2).
Адрес указателя, задаваемый программой, остается неизменным, а косвенный адрес может изменяться в процессе выполнения программы. Косвенная адресация, таким образом, обеспечивает переадресацию данных, т.е. упрощает обработку массивов и списковых структур данных, упрощает передачу параметров подпрограммам, но не обеспечивает перемещаемость программ в памяти.
Косвенная адресация также широко используется в ЭВМ, имеющих короткое машинное слово, для преодоления ограничений короткого формата. В этом случае первый указатель должен располагаться в РП (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Схема косвенной адресации
2.4.2. Относительные способы формирования
исполнительных адресов ячеек памяти
Относительные способы формирования АИ предполагают, что двоичный код адреса ячейки памяти образуется из нескольких составляющих: Б – код базы, И – код индекса, С – код смещения, используемых в сочетаниях (Б и С), (И и С), (Б, И и С).
При относительной адресации применяются два способа вычисления адреса АИ:
суммирование кодов составляющих адреса;
совмещение (конкатенация) кодов составляющих адреса.
Суммирование кодов составляющих производится для случаев:
АИ = Б + С; АИ = И + С; АИ = Б + И + С.
Базирование способом суммирования
В команде адресный код АК разделяется на две составляющие: АБ – адрес регистра регистровой памяти, в котором хранится база Б (базовый адрес); C – код смещения относительно базового адреса (рис. 2.17).
Рис. 2.17. Схема формирования относительного адреса
способом суммирования кодов базы и смещения: СМ – сумматор;
РАОП – регистр адреса ОП; Б – база (базовый адрес); С – смещение;
АБ – адрес регистра базы; nБ – длина кода базы; nС – длина поля смещения
Для определения максимальной емкости ОП, адресуемой с помощью базирования способом суммирования, определим длину кода исполнительного адреса
Так как nБ = mРП и обычно больше, чем nC, то справедливо следующее выражение:
т.е. максимальная адресуемая емкость ОП определяется разрядностью РП. Длина  поля кода команды, задающего адрес регистра базы АБ, определяется через емкость РП MРП по формуле
Таким образом, можно определить количество  двоичных разрядов в адресном поле команды, необходимое для формирования АИ с размещением базы в РП:
 .
Приведенные выражения позволяют определить числовые значения параметров относительной адресации (базирование способом суммирования).
С помощью метода относительной адресации удается получить так называемый перемещаемый программный модуль, который одинаково выполняется процессором, независимо от адресов, в которых он расположен. При входе в модуль начальный адрес программного модуля (база) загружается в базовый регистр. Все остальные адреса программного модуля формируются через смещение относительно начального адреса (базы) модуля. Таким образом, одна и та же программа может работать с данными, расположенными в любой области памяти, без перемещения данных и без изменения текста программы, только за счет изменения содержания всего одного базового регистра.
Относительная адресация с совмещением составляющих АИ
Для увеличения емкости адресной ОП (МОП) без увеличения длины адресного поля команды  можно использовать для формирования исполнительного адреса совмещение (конкатенацию) кодов базы и смещения (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Схема формирования относительного адреса
способом совмещения кодов базы и смещения
При совмещении кодов базы и смещения
 .
Таким образом,  
Следует отметить, что адресное пространство ОП может быть увеличено в  раз за счет использования способа совмещения. Однако в данном случае начальные адреса массивов не могут быть реализованы произвольно, а должны иметь в младших разрядах nC нулей.
Индексная адресация
Для работы программ с массивами, требующими однотипных операций над элементами массива, удобно использовать индексную адресацию. Схема индексной адресации аналогична базированию путем суммирования (см. рис. 2.17). В этом случае адрес i-го операнда в массиве определяется как сумма начального адреса массива (задаваемого полем смещения С) и индекса И, записанного в одном из регистров РП, называемом теперь индексным регистром. Адрес индексного регистра задается в команде полем адреса индекса – АИН (аналогично АБ).
В каждом i-м цикле содержимое индексного регистра изменяется на величину постоянную (часто равную 1). Использование индексной адресации значительно упрощает программирование циклических алгоритмов.
Для эффективной работы при относительной адресации применяется комбинированная индексация с базированием, при которой адрес операнда вычисляется как сумма трех величин (рис. 2.19):
АИОП = Б + И + С.
Рис. 2.19. Схема формирования исполнительного адреса
при индексной адресации и базировании: АИН – адрес индексного регистра;
nАИН – длина адреса индексного регистра
Стековая адресация
Стековая память (стек) является эффективным элементом современных ЭВМ, реализует неявное задание адреса операнда. Хотя адрес обращения в стек отсутствует в команде, он формируется схемой управления автоматически по специальному правилу.
|
