90. Режим Примой доступ к памяти работы микропроцессора

Примой доступ к памяти. Режим прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access) используется, если необходимо произвести пересылку значительного массива информации между ОЗУ и каким-либо внешним устройством, которое подает в систему соответствующий запрос. Реализация такой пересылки с помощью соответствующей программы обмена требует выполнения отдельной команды пересылки для передачи каждого байта или слова. При этом необходим определенный объем памяти для хранения программы и требуется значительное время для ее выполнения.

В большинстве современных микропроцессорных систем пересылка массивов информации обеспечивается с помощью специальных устройств – контроллеров DMA, которые реализуют режим прямого доступа к памяти. При поступлении запроса от внешнего устройства контроллер выдает соответствующий сигнал микропроцессору. Получив этот сигнал, микропроцессор завершает очередной цикл обмена по системной шине и отключается от нее, то есть переводит свои выводы, подключенные к шинам А, D и линиям управления ОЗУ и внешними устройствами, в отключенное (высокоимпедансное) состояние. При этом микропроцессор выдает контроллеру DMA сигнал разрешения на реализацию прямого доступа. Получив этот сигнал, контроллер принимает на себя управление системой. Он выдает на шину А адреса ячеек ОЗУ, с которыми выполняется текущий цикл обмена, формирует необходимые сигналы, определяющие режим работы ОЗУ (запись или считывание) и интерфейсного устройства, через которое производится пересылка информации (ввод или вывод).

Передача сигналов запроса и подтверждения прямого доступа к памяти между микропроцессором и контроллером DMA производится по соответствующим линиям шины управления С.

Предварительно контроллер DMA программируется для выполнения указанных функций. В него вводятся начальные адреса массивов памяти в ОЗУ, с которых начинается процесс обмена, и размеры массивов, подлежащих пересылке. Обычно контроллер DMA обслуживает запросы от нескольких внешних устройств, поэтому он программируется на реализацию определенного приоритета их обслуживания в случае одновременного поступления нескольких запросов. Программирование контроллера производится путем посылки ему необходимых управляющих сообщений. Эти сообщения обычно предварительно вводятся в контроллер от микропроцессора, когда он выполняет специальную программу инициализации контроллера DMA.

91. Способы адресации операндов. Особенности способов адресации

Большинство микропроцессоров выполняют обработку следующих типов целочисленных данных:

– биты;

– байты;

– слова (16 разрядов);

– двойные слова (32 разряда).

Некоторые типы микропроцессоров обрабатывают также четвертные слова (64 разряда), двоично-десятичные числа BCD (Binary Coded Decimal, представление одного десятичного разряда с помощью тетрады из 4 битов, которая называется полубайтом или нибблом), строки символов. В состав современных высокопроизводительных микропроцессоров входят также блоки, производящие обработку чисел, представленных в формате с плавающей точкой (блоки FPU – Floating Point Unit), и выполняющие обработку видео- и аудиоданных, для которых используются специальные форматы представления.

Обрабатываемые данные – операнды могут располагаться в регистрах или памяти (ОЗУ, ПЗУ или кэш-памяти). Выборка операнда – байта, слова или двойного слова производится в соответствии с заданным в команде номером (именем) регистра или адресом соответствующей ячейки памяти.

При размещении в памяти команд и данных используются два варианта расположения байтов в словах:

– начиная с младшего байта («Little-Endian»);

– начиная со старшего байта («Big-Endian»).

При использовании размещения «Little-Endian» младший байт располагается в ячейке памяти с меньшим адресом. Данный вариант размещения реализуется в микропроцессорах, выпускаемых компаниями Intel, AMD, Hitachi и рядом других производителей. При размещении «Big-Endian» старший байт располагается в ячейке с меньшим адресом. Такое расположение байтов обеспечивают микропроцессоры компании Motorola, ряд моделей микропроцессоров, выпускаемых IBM и некоторыми другими компаниями. При обращении к памяти микропроцессор адресует ячейку с меньшим адресом, поэтому при размещении «Little-Endian» команда или операнд выбираются начиная с младшего байта, а при размещении «Big-Endian» – со старшего байта. По этой причине непосредственный перенос программного обеспечения между системами, использующими микропроцессоры с разными вариантами размещения байтов, оказывается практически невозможным. Чтобы решить эту проблему, некоторые современные микропроцессоры, например семейства PowerPC, реализуют оба возможных варианта размещения и адресации байтов. Выбор необходимого варианта задается программно.

Различные типы микропроцессоров используют следующие основные способы адресации операндов, реализации которых обеспечивается в соответствии с кодом адреса (КАД), содержащимся в команде.

Прямая адресация – операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой содержится в команде.

Регистровая адресация – операнд выбирается из регистра РЗУ, номер (имя) которого указано в команде.

Косвенно-регистровая адресация – операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой содержится в регистре РЗУ, указанном в команде.

Косвенно-регистровая адресация со смещением – операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой является суммой содержимого указанного в команде регистра РЗУ и заданного в команде смещения (смещение может быть положительным или отрицательным числом).

Косвенно-регистровая адресация с индексированием и смещением – операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой является суммой содержимого указанного в команде регистра, индексного регистра и заданного в команде смещения. В некоторых микропроцессорах имеются специальные индексные регистры для реализации этого способа адресации. Другие микропроцессоры используют в качестве индексного какой-либо регистр РЗУ, номер или имя которого указывается в команде. Частным случаем этого способа является индексная адресация, когда адрес образуется суммированием специального индексного регистра и заданного в команде смещения.

Относительная адресация – операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой является суммой текущего содержимого программного счетчика PC и заданного в команде смещения (числа со знаком). Отметим, что во многих микропроцессорах этот способ адресации используется не для адресации операнда, а для формирования адреса команды, к которой переходит программа при выполнении команд ветвления. При этом сформированный таким образом адрес загружается в PC, обеспечивая выборку требуемой следующей команды.

Непосредственная адресация – в этом случае операнд непосредственно содержится в поступившей команде, размещаясь следом за кодом операции (КОП).

Рассмотрим основные особенности данных способов адресации.

Прямая адресация обеспечивает обращение к любой ячейке ОЗУ. Однако для задания адреса операнда команда должна содержать необходимое число байт адреса (до 4), что вызывает увеличение объема памяти программ и времени выборки команды из памяти.

Регистровая адресация является наиболее простой и быстрой. Так как объем РЗУ ограничен, то для задания номера регистра требуется всего несколько бит (обычно от 3 до 8). Так как РЗУ расположено на кристалле микропроцессора, то для выборки операнда не требуется обращение к внешней системной шине, поэтому выполнение операций при данном способе адресации требует минимального времени. Однако объем РЗУ ограничен (несколько десятков или сотен байт), поэтому необходимо периодическое обращение к ОЗУ для сохранения результатов и получения новых операндов.

Отметим, что ряд типов микропроцессоров имеет аккумуляторную организацию операционного устройства, при которой используется специальный регистр-аккумулятор, в который заносится результат операции ОУ. Содержимое этого регистра служит также операндом при выполнении очередной операции ОУ. При этом не требуется указания в команде номера (адреса) регистра-аккумулятора, так как обращение к нему обеспечивается автоматически в соответствии с внутренней структурой микропроцессора. Такой вариант регистровой адресации обеспечивает наиболее быстрое выполнение нескольких последовательных операций обработки. Однако для загрузки операнда в аккумулятор и сохранения полученных результатов приходится выполнять специальные команды пересылки, что снижает общую производительность системы.

Наиболее распространенными являются различные варианты косвенно-регистровой адресации. При этом в команде указывается только номер регистра, используемого в качестве адресного, поэтому размер команды оказывается небольшим (как при регистровой адресации). Однако выборка операнда (чтение из ОЗУ или запись в него) требует выполнения циклов передачи по системной шине, что снижает производительность системы. Различные варианты косвенно-регистровой адресации позволяют производить обработку линейных (строк) и двумерных (матриц) массивов данных, обеспечивая обращение к необходимому элементу массива по его относительному положению.

Непосредственная адресация также вызывает увеличение размера команды на число байт заданного операнда. Из-за этого возрастает объем памяти команд и время выборки команды. Однако при этом операнд поступает непосредственно в процессор, т.е. не требуется выполнения дополнительного цикла обращения к ОЗУ. Данный способ адресации широко используется для введения различных констант, используемых при обработке данных.

Различные типы микропроцессоров часто реализуют разнообразные варианты этих способов адресации. В ряде микропроцессоров используется косвенно-регистровая адресация с пост-инкрементом или пре-декрементом. При этом содержимое регистра, хранящего адрес, автоматически увеличивается на (здесь=1, 2 или 4 – число байтов операнда) после его выборки (пост-инкремент) или уменьшается наперед выборкой операнда (пре-декремент). Такая адресация удобна при обработке массивов данных, расположенных в памяти. В некоторых микропроцессорах реализуется относительная адресация с индексированием (аналогична косвенно-регистровой с индексированием и смещением). В микропроцессорахPentium выполняется косвенно-регистровая адресация с индексированием и смещением, где возможно масштабирование – умножение содержимого индексного регистра на заданный в команде множитель.