Система кодирования команд. Способы адресации

Способы адресации

Решить проблему сокращения разрядности команды только за счет сокращения количества указываемых в команде операндов и применения регистровой памяти невозможно. Этой же цели служит использование различных способов адресации операндов. Кроме того, применение нескольких способов адресации повышает гибкость программирования, так как в каждом конкретном случае позволяет обеспечить наиболее рациональный способ доступа к информации в памяти.

Различные способы адресации базируются на разных механизмах определения физического адреса операнда, то есть адреса фактического обращения к памяти при выполнении команды. Определение набора способов адресации, закладываемых в систему команд, является одним из важнейших вопросов разработки ЭВМ, существенно влияющим на ее архитектуру, вычислительные возможности, объем оборудования, быстродействие и другие характеристики.

К основным способам адресации относятся следующие: прямая, непосредственная, косвенная, относительная.

Прямая адресация. Физический адрес операнда совпадает с кодом в адресной части команды ( рис. 11.4). Формальное обозначение:

Операнд_i = (А_i),

где А_i – код, содержащийся в i-м адресном поле команды.

Рис. 11.4. Прямая адресация

Выше при описании способов кодирования команд и расчете длины адресного поля предполагалось использование именно этого способа адресации.

Допускается использование прямой адресации при обращении как к основной, так и к регистровой памяти.

Непосредственная адресация. В команде содержится не адрес операнда, а непосредственно сам операнд ( рис. 11.5):

Операнд_i= А_i.

Рис. 11.5. Непосредственная адресация

Непосредственная адресация позволяет повысить скорость выполнения операции, так как в этом случае вся команда, включая операнд, считывается из памяти одновременно и на время выполнения команды хранится в процессоре в специальном регистре команд ( РК ). Однако при использовании непосредственной адресации появляется зависимость кодов команд от данных, что требует изменения программы при каждом изменении непосредственного операнда.

Косвенная адресация ( рис. 11.6). Адресная часть команды указывает адрес ячейки памяти (рис. 11.6,а) или номер регистра (рис. 11.6,б), в которых содержится адрес операнда:

Операнд_i = ((А_i)).

Рис. 11.6. Косвенная адресация

Применение косвенной адресации операнда из оперативной памяти при хранении его адреса в регистровой памяти существенно сокращает длину поля адреса, одновременно сохраняя возможность использовать для указания физического адреса полную разрядность регистра.

Недостаток этого способа – необходимо дополнительное время для чтения адреса операнда. Вместе с тем он существенно повышает гибкость программирования. Изменяя содержимое ячейки памяти или регистра, через которые осуществляется адресация, можно, не меняя команды в программе, обрабатывать операнды, хранящиеся по разным адресам.

Косвенная адресация не применяется по отношению к операндам, находящимся в регистровой памяти.

Предоставляемые косвенной адресацией возможности могут быть расширены, если в системе команд ЭВМ предусмотреть определенные арифметические и логические операции над ячейкой памяти или регистром, через которые выполняется адресация, например увеличение или уменьшение их значения на единицу. Так, адресация, при которой после каждого обращения по заданному адресу с использованием механизма косвенной адресация, значение адресной ячейки автоматически увеличивается на длину считываемого операнда, называют автоинкрементной. Адресация с автоматическим уменьшением значения адресной ячейки называется автодекрементной.

Относительная адресация. Этот способ используется тогда, когда память логически разбивается на блоки, называемые сегментами. В этом случае адрес ячейки памяти содержит две составляющих: адрес начала сегмента (базовый адрес) и смещение адреса операнда в сегменте. Адрес операнда определяется как сумма базового адреса и смещения относительно этой базы:

Операнд_i = (база_i + смещение_i).

Для задания базового адреса и смещения могут применяться ранее рассмотренные способы адресации. Как правило, базовый адрес находится в одном из регистров регистровой памяти, а смещение может быть задано в самой команде или регистре.

Рассмотрим два примера.

1. Адресное поле команды состоит из двух частей ( рис. 11.7): в одной указывается номер регистра, хранящего базовое значение адреса (начальный адрес сегмента), а в другом адресном поле задается смещение, определяющее положение ячейки относительно начала сегмента. Именно такой способ представления адреса обычно и называют относительной адресацией.
   

   
   Рис. 11.7. Относительная адресация
2. Первая часть адресного поля команды также определяет номер базового регистра, а вторая содержит номер регистра, в котором находится смещение ( рис. 11.8). Такой способ адресации чаще всего называют базово-индексным.
   

   
   Рис. 11.8. Базово-индексная адресация

Главный недостаток относительной адресациии – большое время вычисления физического адреса операнда. Но существенное преимущество этого способа адресации заключается в возможности создания "перемещаемых" программ – программ, которые можно размещать в различных частях памяти без изменения команд программы. То же относится к программам, обрабатывающим по единому алгоритму информацию, расположенную в различных областях ЗУ. В этих случаях достаточно изменить содержимое базового адреса начала команд программы или массива данных, а не модифицировать сами команды. По этой причине относительная адресация облегчает распределение памяти при составлении сложных программ и широко используется при автоматическом распределении памяти в мультипрограммных вычислительных системах.

Сравнить способы адресации можно по большому числу самых разнообразных критериев. В табл.11.1 представлена характеристика рассмотренных способов по времени, необходимому для выборки операнда, длине адресного поля, требуемого для того или иного способа адресации, и удобству использования данного способа адресации при программировании. В соответствующих полях таблицы помимо указания по методике расчета необходимой величины содержится и место рассматриваемого способа адресации по избранному критерию. При расчетах учитывались лишь основные составляющие, влияющие на значение оцениваемой величины. Естественно, критерий, оценивающий гибкость того или иного способа адресации при программировании, не может быть абсолютно объективным и зависит от характера программы.

Таблица 11.1.

Критерий	Адресация
	Прямая		Косвенная		Относи- тельная	Базово-индексная	Непосред- ственная
	ОЗУ1)	РП	через ОЗУ2)	через РП
Время выборки операнда	tОЗУ 3	tРП 2	2tОЗУ 7	tОЗУ+tРП 4	5	6	tРК 1
Длина поля адреса	log2VОЗ У 5	log2Vр П 1	log2VОЗ У 5	log2VРП 1	log2VРП+log2VСЕГМ 44)	log2VРП 2	Lоперанда 33)
Гибкость при адресации данных 5)	5	4	3	2	1	1	6

Принятые обозначения:

t_ОЗУ – время считывания информации из ОЗУ; t_РП – время считывания информации из РП; t_РК – время считывания информации из регистра команд; – время суммирования составных частей адреса; V_ОЗУ – объем ОЗУ; V_РП – объем РП; V_СЕГМ – объем сегмента; L_{операнда} – длина операнда.

Примечания:

1. используется, в основном, для адресации внешних устройств;
2. используется крайне редко;
3. зависит от длины операнда;
4. зависит от размера сегмента;
5. зависит от особенностей программы.