В программировании часто встречаются ситуации, когда одинаковые действия необходимо выполнять многократно в разных частях программы (например, вычисление функции sin x). При этом с целью экономии памяти не следует многократно повторять одну и ту же последовательность команд — достаточно один раз написать так называемую подпрограмму (в терминах языков высокого уровня — процедуру) и обеспечить правильный вызов этой подпрограммы и возврат в точку вызова по завершению подпрограммы.
Для вызова подпрограммы необходимо указать ее начальный адрес в памяти и передать (если необходимо) параметры — те исходные данные, с которыми будут выполняться предусмотренные в подпрограмме действия. Адрес подпрограммы указывается в команде вызова call, а параметры могут передаваться через определенные ячейки памяти, регистры или стек.
Возврат в точку вызова обеспечивается сохранением адреса текущей команды (содержимого регистра PC) при вызове и использованием в конце подпрограммы команды возврата ret, которая возвращает сохраненное значение адреса возврата в PC.
Для реализации механизма вложенных подпрограмм (возможность вызова подпрограммы из другой подпрограммы и т. д.) адреса возврата целесообразно сохранять в стеке. Стек («магазин») — особым образом организованная безадресная память, доступ к которой осуществляется через единственную ячейку, называемую верхушкой стека. При записи слово помещается в верхушку стека, предварительно все находящиеся в нем слова смещаются вниз на одну позицию; при чтении извлекается содержимое верхушки стека (оно при этом из стека исчезает), а все оставшиеся слова смещаются вверх на одну позицию. Такой механизм напоминает действие магазина стрелкового оружия (отсюда и второе название). В программировании называют такую дисциплину обслуживания LIFO (Last In First Out, последним пришел — первым вышел) в отличие от дисциплины типа очередь— FIFO (First In First Out, первым пришел — первым вышел).
В обычных ОЗУ нет возможности перемещать слова между ячейками, поэтому при организации стека перемещается не массив слов относительно неподвижной верхушки, а верхушка относительно неподвижного массива. Под стек отводится некоторая область ОЗУ, причем адрес верхушки хранится в специальном регистре процессора — указателе стека SP.
В стек можно поместить содержимое регистра общего назначения по команде push или извлечь содержимое верхушки в регистр общего назначения по команде pop. Кроме того, по команде вызова подпрограммы call значение программного счетчика PC (адрес следующей команды) помещается в верхушку стека, а по команде ret содержимое верхушки стека извлекается в PC. При каждом обращении в стек указатель SP автоматически модифицируется.
В большинстве ЭВМ стек «растет» в сторону меньших адресов, поэтому перед каждой записью содержимое SP уменьшается на 1, а после каждого извлечения содержимое SP увеличивается на 1. Таким образом, SP всегда указывает на верхушку стека.
Цель настоящей лабораторной работы — изучение организации программ с использованием подпрограмм. Кроме того, в процессе организации циклов мы будем использовать новые возможности системы команд модели ЭВМ, которые позволяют работать с новым классом памяти — сверхоперативной (регистры общего назначения — РОН). В реальных ЭВМ доступ в РОН занимает значительно меньшее время, чем в ОЗУ; кроме того, команды обращения с регистрами короче команд обращения к памяти. Поэтому в РОН размещаются наиболее часто используемые в программе данные, промежуточные результаты, счетчики циклов, косвенные адреса и т. п.
В системе команд учебной ЭВМ для работы с РОН используются специальные команды, мнемоники которых совпадают с мнемониками соответствующих команд для работы с ОЗУ, но в адресной части содержат символы регистров RO—R9.
Кроме обычных способов адресации (прямой и косвенной) в регистровых командах используются два новых — постинкрементная и предекрементная. Кроме того, к регистровым относится команда организации цикла JRNZ R,M. По этой команде содержимое указанного в команде регистра уменьшается на 1, и если в результате вычитания содержимого регистра не равно 0, то управление передается на метку М. Эту команду следует ставить в конце тела цикла, метку М — в первой команде тела цикла, а в регистр R помещать число повторений цикла.
Пример 4
Даны три массива чисел. Требуется вычислить среднее арифметическое их максимальных элементов. Каждый массив задается двумя параметрами: адресом первого элемента и длиной.
Очевидно, в программе трижды необходимо выполнить поиск максимального элемента массива, поэтому следует написать соответствующую подпрограмму.
Параметры в подпрограмму будем передавать через регистры: R1 — начальный адрес массива, R2 — длина массива.
Рассмотрим конкретную реализацию этой задачи. Пусть первый массив начинается с адреса 085 и имеет длину 14 элементов, второй— 100 и 4, третий— 110 и 9. Программа будет состоять из основной части и подпрограммы. Основная программа задает параметры подпрограмме, вызывает ее и сохраняет результаты работы подпрограммы в рабочих ячейках. Затем осуществляет вычисление среднего арифметического и выводит результат на устройство вывода. В качестве рабочих ячеек используются регистры общего назначения R6 и R7 — для хранения максимальных элементов массивов. Подпрограмма получает параметры через регистры R1 (начальный адрес массива) и R2 (длина массива). Эти регистры используются подпрограммой в качестве регистра текущего адреса и счетчика цикла соответственно. Кроме того, R3 используется для хранения текущего максимума, a R4 — для временного хранения текущего элемента. Подпрограмма возвращает результат через аккумулятор. В табл. 9 приведен текст основной программы и подпрограммы. Обратите внимание, цикл в подпрограмме организован с помощью команды jrnz, а модификация текущего адреса — средствами постинкрементной адресации.
Таблица 9. Программа примера 4
| Команда | Примечания |
| Основная программа | |
| RD #85 | Загрузка |
| WR R1 | параметров |
| RD #14 | первого |
| WR R2 | массива |
| CALL M | Вызов подпрограммы |
| WR R6 | Сохранение результата |
| RD #100 | Загрузка |
| WR R1 | параметров |
| RD #4 | второго |
| WR R2 | массива |
| CALL M | Вызов подпрограммы |
| WR R7 | Сохранение результата |
| RD #110 | Загрузка |
| WR Rl | параметров |
| RD #9 | третьего |
| WR R2 | массива |
| CALL M | Вызов подпрограммы |
| ADD R7 | Вычисление |
| ADD R6 | среднего |
| DIV #3 | арифметического |
| OUT | Вывод результата |
| Подпрограмма MAX | |
| HLT | Стоп |
| M: RD @R1 | Загрузка |
| WR R3 | первого элемента в R3 |
| L2: RD @R1+ | Чтение элемента и модификация адреса |
| WR R4 | Сравнение |
| SUB R3 | и замена, |
| JS LI | если R3 < R4 |
| MOV R3,R4 | |
| LI: JRNZ R2,L2 | Цикл |
| RD R3 | Чтение результата в Асс |
| RET | Возврат |
Задание 4
Составить и отладить программу учебной ЭВМ для решения следующей задачи. Три массива в памяти заданы начальными адресами и длинами. Вычислить и вывести на устройство вывода среднее арифметическое параметров этих массивов. Параметры определяются заданием к предыдущей лабораторной работе (см. табл. 8), причем соответствие между номерами вариантов заданий 3 и 4 устанавливается по табл. 10.
Таблица 10. Соответствие между номерами заданий
| Помер варианта задания 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Номер строки в табл. 9.9 | 5 | 7 | 13 | 11 | 9 | 12 | 1 | 10 | 14 | 3 | 6 | 8 | 2 | 4 |
Содержание отчета
- Формулировка варианта задания.
- Граф-схема алгоритма основной программы.
- Граф-схема алгоритма подпрограммы.
- Распределение памяти (размещение в ОЗУ переменных, программы и необходимых констант).
- Тексты программы и подпрограммы.
- Значения исходных данных и результата выполнения программы.
Контрольные вопросы
- Как работает команда mov R3, R7?
- Какие действия выполняет процессор при реализации команды call?
- Как поведет себя программа примера 4, если в ней вместо команд call m использовать команды jmp m?
- После начальной установки процессора (сигнал Сброс) указатель стека SP устанавливается в 000. По какому адресу будет производиться запись в стек первый раз, если не загружать SP командой wrsp?
- Как, используя механизмы постинкрементной и предекрементной адресации, организовать дополнительный стек в произвольной области памяти, не связанный с SP?