100 Глава 2. Архитектура системы команд

В таком варианте адресная часть команды вообще отсутствует или не задей-ствуется.

Выбор адресности команд

При выборе количества адресов в адресной части команды обычно руководствуются следующими критериями:

• емкостью запоминающего устройства, требуемой для хранения программы;

• временем выполнения программы;

• эффективностью использования ячеек памяти при хранении программы.

Для оценки влияния адресности на каждый из перечисленных элементов воспользуемся методикой и выводами, изложенными в [25].

Адресность и емкость запоминающего устройства

Емкость запоминающего устройства для хранения программы Е_А можно оценить из соотношения

где Ν_Α - количество программ в программе; R_K — разрядность команды, определяемая в соответствии с формулой (2.1); А — индекс, указывающий адресность команд программы. С этих позиций оптимальная адресность команды определяется путем решения уравнения дЕ,/дА=0 при условии, что найденное значение обес-печивает минимум Е_А. В [29] показано, что в среднем Е_л монотонно возрастает с увеличением А. Таким образом, при выборе количества адресов по критерию «емкость ЗУ» предпочтение следует отдавать одноадресным командам.

Адресность и время выполнения программы

Время выполнения одной команды складывается из времени выполнения операции и времени обращения к памяти.

Для трехадресной команды последнее суммируется из четырех составляющих времени:

• выборки команды;

• выборки первого операнда;

• выборки второго операнда;

• записи в память результата.

Одноадресная команда требует двух обращений к памяти:

• выборки команды;

• выборки операнда.

Как видно, на выполнение одноадресной команды затрачивается меньше времени, чем на'обработку трехадресной команды, однако для реализации одной трехадресной команды, как правило, нужно три одноадресных. Этих соображений тем

Форматы команд 101

не менее не достаточно, чтобы однозначно отдать предпочтение тому или иному варианту адресности. Определяющим при выборе является тип алгоритмов, на преимущественную реализацию которых ориентирована конкретная ВМ.

В самой общей постановке задачи время выполнения алгоритма Т_А можно определить выражением

(25)

в котором Ν_α — количество арифметических и логических команд в программе; тета _а - время выполнения однойарифметической или логической команды; Ν_Η— количество неарифметических команд; тета На — время выполнения одной неарф-метической команды; А = {1, 2, 3} — индекс, определяющий количество адресов в команде. В свою очередь, N_ti можно определить как Ν_π = N_y + _в_л, где N_y — количество команд передачи управления (их число в программе не зависит от адресности), а _в — количество вспомогательных команд пересылок данных в регистр сумматора и из него.

Время выполнения как арифметической (%_ЛУ> так и неарифметической {\_л) команды складывается из времени выборки команды из памяти % (^το ^— время, затрачиваемое на одно обращение к памяти) и времени считывания/записи данных Ах₀. В случае арифметической команды следует учесть также вклад на исполнение арифметической операции _а. Таким образом, имеем:

(2.6)

(2.7)

и выражение (2.5) принимает вид:

(2.8)

Подставляя в (2.8) значения Л = 1 и А = 3, можно определить разность времен дельта Т еализации алгоритма с помощью одноадресных и трехадресных команд, принимая во внимание, что для трехадресных команд Ν_Β = О :

(2.9)

Теперь проанализируем «выгодность» той или иной адресности команды в зависимости от типа целевого алгоритма. Возможные типы алгоритмов условно разделим на три группы:

• последовательные;

• параллельные;

• комбинированные.

Для последовательного алгоритма результат предшествующей команды используется в последующей. Здесь Ν_Β = 2, так как требуется всего одна команда предварительной засылки числа в сумматор (аккумулятор) в начале вычисления и одна команда пересылки результата в память в конце вычислений. Если обозначить количество арифметических и логических команд в последовательном алгоритме

104 Глава 2. Архитектура системы команд

и затратами времени Г на доступ к адресуемым данным. Затраты оборудования определяются суммой

где С_ВА — затраты аппаратных средств, обеспечивающих вычисление исполнительных адресов; С_ЗУ — затраты памяти на хранение адресных кодов команд. Обычно С_ЗУ » С_ВА, поэтому при оценке затрат оборудования ограничиваются учетом величины С_зу. Затраты времени Т определяются суммой времени £_ФИЛформирова-ния исполнительного адреса и времени-i_3y выборки или записи операнда:

-» ⁼ ФИА ⁺ ^ЗУ·

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. 2.45). Этот способ может применяться при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры.

Когда операндом является число, оно обычно представляется в дополнительном коде. При записи в регистр, имеющий разрядность, превышающую длину непосредственного операнда, операнд размещается в младшей части регистра, а оставшиеся свободными позиции заполняются значением знакового бита операнда.

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. В [120] приведены данные о типичной длине непосредственного операнда для программ GCC, Spice и ТеХ, выполнявшихся на вычислительной машине DEC VAX (рис. 2.46).

В 50-60% команд с непосредственной адресацией длина операнда не превышает 8 бит, ав 75-80% — 16 бит. Таким образом, в подавляющем числе случаев шестнадцати разрядов вполне достаточно, хотя для вычисления адресов могут потребоваться и более длинные константы.

Рисунок 2.47 дает представление о распространенности непосредственной адресации в командах различных типов. На верхней диаграмме показана статистика для программ GCC, Spice и ТеХ. Нижняя диаграмма иллюстрирует «популярность» непосредственной адресации в приложениях с преимущественно целочисленными и вещественными вычислениями, однако следует иметь в виду, что средний процент использования непосредственной адресации по всем командам составляет 35% для целочисленных вычислений и 10% — в программах, ориентированных на обработку чисел с плавающей запятой.



	100 Глава 2. Архитектура системы команд В таком варианте адресная часть команды вообще отсутствует или не задей-ствуется. Выбор адресности команд При выборе количества адресов в адресной части команды обычно руководствуются следующими критериями: • емкостью запоминающего устройства, требуемой для хранения программы; • временем выполнения программы; • эффективностью использования ячеек памяти при хранении программы. Для оценки влияния адресности на каждый из перечисленных элементов воспользуемся методикой и выводами, изложенными в [25]. Адресность и емкость запоминающего устройства Емкость запоминающего устройства для хранения программы Е_А можно оценить из соотношения где Ν_Α - количество программ в программе; R_K — разрядность команды, определяемая в соответствии с формулой (2.1); А — индекс, указывающий адресность команд программы. С этих позиций оптимальная адресность команды определяется путем решения уравнения дЕ,/дА=0 при условии, что найденное значение обес-печивает минимум Е_А. В [29] показано, что в среднем Е_л монотонно возрастает с увеличением А. Таким образом, при выборе количества адресов по критерию «емкость ЗУ» предпочтение следует отдавать одноадресным командам. Адресность и время выполнения программы Время выполнения одной команды складывается из времени выполнения операции и времени обращения к памяти. Для трехадресной команды последнее суммируется из четырех составляющих времени: • выборки команды; • выборки первого операнда; • выборки второго операнда; • записи в память результата. Одноадресная команда требует двух обращений к памяти: • выборки команды; • выборки операнда. Как видно, на выполнение одноадресной команды затрачивается меньше времени, чем на'обработку трехадресной команды, однако для реализации одной трехадресной команды, как правило, нужно три одноадресных. Этих соображений тем