Способы адресации операндов
Вопрос о том, каким образом в адресном поле команды может быть указано местоположение операндов, считается одним из центральных при разработке архитектуры ВМ. С точки зрения сокращения аппаратурных затрат очевидно стремление разработчиков уменьшить длину адресного поля при сохранении возможностей доступа ко всему адресному пространству. С другой стороны, способ задания адресов должен способствовать максимальному сближению конструкций языков программирования высокого уровня и машинных команд. Все это привело к тому, что в архитектуре системы команд любой ВМ предусмотрены различные способы адресации операндов.
Приступая к рассмотрению способов адресации, вначале определим понятия «исполнительный адрес» и «адресный код».
Исполнительным адресом операнда (Аисп) называется двоичный код номера ячейки памяти, служащей источником или приемником операнда. Этот код подается на адресные входы запоминающего устройства (ЗУ), и 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.
Адресный код команды (Ак) — это двоичный код в адресном поле команды, из которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда.
В современных ВМ исполнительный адрес и адресный код, как правило, не совпадают, и для доступа к данным требуется соответствующее преобразование.
Способ адресации — 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 сегодняшних ВМ обычно имеется возможность приложения нескольких различных способов адресации операндов к одной и той же операции.
Чтобы устройство управления вычислительной машины могло определить, какой именно способ адресации принят в данной команде, в разных ВМ используются различные приемы. Часто разным способам адресации соответствуют и разные коды операции. Другой подход — это добавление в состав команды специального поля способа адресации, содержимое которого определяет, какой из способов адресации должен быть применен. Иногда в команде имеется нескольких полей — по одному на каждый адрес.
Отметим, что возможен также вариант, когда в команде вообще отсутствует адресная информация, то есть имеет место неявная адресация. 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 второго операнда. Неявная адресация применяется достаточно широко, поскольку позволяет сократить длину команды.
Выбор способов адресации является одним из важнейших вопросов разработки системы команд и всей ВМ в целом, при этом существенное значение имеет не только удобство программирования, но и эффективность способа. Эффективность способа адресации можно характеризовать двумя показателями: затратами оборудования С и затратами времени Т на доступ к адресуемым данным.
Затраты оборудования определяются суммой С = Сва + Сзу, где Сва — затраты аппаратных средств, обеспечивающих вычисление исполнительных адресов; Сзу — затраты памяти на хранение адресных кодов команд. Обычно Сзу >> Сва , поэтому при оценке затрат оборудования ограничиваются учетом величины Сзу Затраты времени Т определяются суммой времени tФИА формирования исполнительного адреса и времени tЗУ выборки или записи операнда:
T = tФИА + tЗУ
В настоящее время используются различные виды адресации, наиболее распространенные из которых рассматриваются ниже.
Непосредственная адресация
При непосредственной адресации (НА) в адресном поле команды вместо адреса содержится непосредственно сам операнд (рис. 1). Этот способ может применяться при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры.
Рис. 1. Непосредственная адресация.
Помимо того, что в адресном поле могут быть указаны только константы, еще одним недостатком данного способа адресации является то, что размер непосредственного операнда ограничен длиной адресного поля команды, которое в большинстве случаев меньше длины машинного слова.
Наиболее интенсивно данный вид адресации используется в арифметических операциях и командах сравнения. В то же время загрузка констант в большинстве программ, очевидно, не такая частая операция.
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. В плане эффективности этот способ можно считать «идеальным» (СнА = 0, ТнА = 0), и его можно рекомендовать к использованию во всех ситуациях, когда тому не препятствуют вышеупомянутые ограничения.
Прямая адресация
При прямой или абсолютной адресации (ПА) адресный код прямо указывает номер ячейки памяти, к которой производится обращение (рис. 2), то есть адресный код совпадает с исполнительным адресом.
Рис. 2. Прямая адресация.
При всей простоте использования способ имеет существенный недостаток — ограниченный размер адресного пространства, так как для адресации к памяти большой емкости нужно «длинное» адресное поле. Не менее существенным несовершенством можно считать то, что адрес, указанный в команде, не может быть изменен в процессе вычислений (во всяком случае, такое изменение не рекомендуется). Это ограничивает возможности по произвольному размещению программы в памяти.
Прямую адресацию характеризуют следующие показатели эффективности: Cпа = int(log2 Ni ) Тпа = tЗУ
где Ni — количество адресуемых операндов.
Косвенная адресация
Одним из путей преодоления проблем, свойственных прямой адресации, может служить прием, когда с помощью ограниченного адресного поля команды указывается адрес ячейки, в свою очередь, содержащей полноразрядный адрес операнда (рис. 3). Этот способ известен как косвенная адресация (КА). Запись (Ак) означает содержимое ячейки, адрес которой указан в скобках.
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. 
Рис. 3. Косвенная адресация
Недостатком косвенной адресации является необходимость в двухкратном обращении к памяти: сначала для извлечения адреса операнда, а затем для обращения к операнду (TКА = 2tЗУ). Сверх того задействуется лишняя ячейка памяти для хранения исполнительного адреса операнда. Способу свойственны следующие затраты оборудования:
CKA = RЯЧ + int(log2 NА) = int(log2 (Ni + NА))
где RЯЧ — разрядность ячейки памяти, хранящей исполнительный адрес; NА — количество ячеек для хранения исполнительных адресов; Ni — количество адресуемых операндов. Здесь выражение int(log2 NА) определяет разрядность сокращенного адресного поля команды (обычно NА << Ni).
В качестве варианта косвенной адресации, правда, достаточно редко используемого, можно упомянуть многоуровневую или каскадную косвенную адресацию: AИСП = (…(Ак)…) когда к исполнительному адресу ведет цепочка косвенных адресов. Особых преимуществ у такого подхода нет, но в некоторых специфических ситуациях он оказывается весьма удобным, например при обработке многомерных массивов.
Регистровая адресация
Регистровая адресация (РА) напоминает прямую адресацию. Различие состоит в том, что адресное поле инструкции указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора (рис. 4). Идентификатор регистра в дальнейшем будем обозначать буквой R. 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).
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, то есть Сра << Спа. Кроме того, TРА = tРОН, где tРОН — время выборки операнда из регистра общего назначения, причем tРОН << tзу
Рис. 4. Регистровая адресация.
К сожалению, возможности по использованию регистровой адресации ограничены малым числом РОН в составе процессора.