Устройство обработки данных

Аккумуляторная архитектура. Аккумуляторная система команд исторически возникла одной из первых. В ней для хранения одного из операндов арифметических и логических команд, а также и результатов выделен специальный регистр – аккумулятор. Поскольку размещение одного операнда предопределено, в командах обработки достаточно указывать размещение только второго операнда. Поэтому для данной архитектуры характерны одноадресные команды (рис. 2.7). Например, команда сложения имеет формат ADD A.

Для непосредственной загрузки аккумулятора из памяти предусмотрена специальная команда Load A, а для записи содержимого аккумулятора в память -командаStore A.

На рис. 2.8 приведена архитектура УОД с аккумулятором.

Выполнение арифметических команд, например сложения ADD A, где A – адрес второго слагаемого производится следующим образом. В первом цикле команды производится считывание слагаемого из памяти по адресу A в регистр данных. Затем в АЛУ выполняется операция сложения над содержимым регистра данных и аккумулятора. Результат записывается в аккумулятор, замещая первое слагаемое.

Достоинством аккумуляторной АСК являются простые одноадресные команды, что упрощает их дешифрацию и способствует повышению быстродействия. АСК на базе аккумулятора была популярна в ранних ЭВМ таких, как IBM 7090, PDP-8 (DEC), MOS 6502.

Регистровая архитектура. В компьютерах с данной архитектурой в состав процессора включается массив регистров общего назначения (РОН), используемых в качестве быстродействующей буферной памяти для размещения наиболее актуальных данных. Разрядность регистров обычно соответствует длине машинного слова. ВCISC-архитектурах число РОН невелико (8 – 32) и для их адресации требуется не более 5 разрядов. Это позволяет использовать команды, в адресной части которых указываются адреса двух или даже трех регистров (рис. 2.9).

RISC-архитектура предполагает использование до нескольких сотен РОН. Но и в этом случае при длине команды 32 разряда в ней можно разместить адреса трех регистров.

На рис. 2.10 приведена архитектура УОД на базе РОН.

Регистровая архитектура предполагает размещение операндов как в ОП, так и в РОН, поэтому возможны три типа команд обработки:

· регистр – регистр;

· регистр – память;

· память – память.

Сравнительная оценка этих типов команд приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип команды	Достоинства	Недостатки
Регистр - регистр	Простота реализации, фиксированная длина команд, простая модель формирования объектного кода при компиляции, фиксированное число тактов для всех команд.	Большая длина объектного кода из-за фиксированной длины команд, часть разрядов в которых не используется.
Регистр – память	Данные могут быть доступны без загрузки в РОН, простота кодирования команд, объектный код получается достаточно компактным.	Потеря одного из операндов при записи результата, длинное поле адреса памяти в коде команды сокращает место под номер регистра, что ограничивает число РОН
Память - память	Компактность объектного кода, малая потребность в регистрах для хранения промежуточных данных	Разнообразие форматов команд и времени их исполнения, низкое быстродействие из-за обращения к памяти.

Команды типа «регистр – регистр» являются основными в RISC-компьютерах. Команды типа «регистр – память» характерны для CISC-машин. Команды «память – память» считаются неэффективными, хотя и входят в состав набора команд наиболее сложных CISC-процессоров.

Примерами ЭВМ на базе РОН служат CDC 6600, IBM 360/370, PDP-11 и подавляющая часть современных персональных компьютеров.

Архитектура с выделенным доступом к памяти. В этой архитектуре обращение к оперативной памяти возможно только с помощью двух специальных командLoad и Store. Команда Load A, R обеспечивает считывание из оперативной памяти и запись в регистр процессора. В команде указывается адрес ячейки A и адрес (номер) регистра R (рис. 2.11).

Команда Store A, R используется для записи в память содержимого указанного в команде регистра. В архитектуре отсутствуют команды обработки, допускающие прямое обращение к оперативной памяти. В системе команд данной архитектуры допускается ограниченное число команд, в которых операнд является частью кода команды.

На рис. 2.12 схематически показана аппаратная часть архитектуры с выделенным доступом к памяти.

АСК архитектура с выделенным доступом к памяти характерна для всех RISC-компьютеров.

Стековая адресация. Стек представляет собой множество логически взаимосвязанных ячеек памяти, доступ к которым организован по LIFO (Last In, First Out). Стек используется для хранения операндов и результатов выполнения операций. При записи в вершину стека содержимое всех ячеек сдвигается вниз. При считывании из вершины стека содержимое этой ячейки стирается и содержимое всех ячеек сдвигается вверх.

Для эффективного использования стековой машины математические выражения на этапе компиляции программы преобразуются в обратную польскую запись. Например, оператор

a = a + b + a × c

в обратной польской записи будет иметь вид

a = a b + a c × +.

В стек записываются только операнды. Операциям при компиляции ставятся в соответствие команды.

На рис. 2.13 приведена архитектура УОД со стековой организацией хранения операндов.

Для работы со стеком в составе набора команд имеются две специальные команды:

push A – запись в вершину стека из ячейки памяти с адресом A;

pop A – считывание содержимого вершины стека в память, в ячейку с адресом A.

При выполнении арифметических и логических команд в АЛУ из стека считываются два операнда. Результат с выхода АЛУ записывается в стек. Возможен вариант, когда результат сразу же записывается в память с помощью автоматически выполняемой операции pop A.

К достоинствам АСК на базе стека следует отнести сокращение адресной части команд, поскольку выполнение всех операций над данными производится с помощью стека. Недостаток – отсутствие произвольного доступа к памяти. Кроме того, стек препятствует внедрению параллельной обработки данных для повышения быстродействия.

Стековая архитектура применялась в 60-е годы в машинах фирм Burroughs (B5500, B6500) и Hewlett Packard. В настоящее время в связи с широким распространением языка Java, семантика которого наиболее близка к стековой архитектуре, интерес к ней снова вырос. Современными компьютерами со стековой архитектурой являются машины JEM1 и JEM2 компании aJile Systems и машина Clip фирмы ImSys.

Дата добавления: 2014-01-06