Манипулирование данными

В главе 1 мы познакомились с методами хранения данных и организацией памяти компьютера. Кроме способности хранить данные компьютер должен обладать способностью обрабатывать их так, как это предписано алгоритмом. Это значит, что машина должна иметь средства выполнения операций над данными и средства контроля последовательности этих операций. Такие задачи выполняются устройством, которое называется центральным процессором. Изучению именно этого устройства и связанных с ним вопросов посвящена эта глава.

Архитектура ЭВМ

Схема компьютера, которая выполняет различные операции (такие как сложение и вычитание) над данными, не соединена непосредственно с ячейками оперативной памяти компьютера. Вместо этого она изолирована в части компьютера, которая называется центральным процессором (CPU — Central Processing Unit), или ЦП (часто просто процессор). Он, в свою очередь, состоит из арифметико-логического устройства (arithmetic/logic unit), которое содержит схему, манипулирующую данными, и устройства управления (control unit), которое содержит схему, координирующую деятельность машины.

Для временного хранения информации в процессоре содержатся ячейки, или регистры (registers), которые похожи на ячейки оперативной памяти. Они разделяются на регистры общего назначения (general-purpose registers) и специальные регистры (special-purpose registers). Мы познакомимся с некоторыми специальными регистрами в разделе 2.3, а сейчас сосредоточим наше внимание на роли регистров общего назначения.

Регистры общего назначения служат для временного хранения данных, обрабатываемых центральным процессором. Они хранят входные данные схемы арифметико-логического устройства и обеспечивают область памяти для хранения результата, порождаемого этим устройством. Устройство управления передает данные из оперативной памяти в регистры общего назначения, информирует арифметико-логическое устройство о том, в каких регистрах хранятся данные, активирует соответствующую схему в арифметико-логическом устройстве и сообщает ему, в каком регистре должен храниться результат.

Для передачи двоичного кода центральный процессор и оперативная память компьютера соединены набором проводов, который называется шиной (bus) (рис. 2.1). С помощью этой шины процессор может извлекать, или считывать, данные из оперативной памяти, посылая вместе с сигналом считывания адрес ячейки памяти. Подобным же образом центральный процессор может поместить, или записать, данные в память, посылая вместе с сигналом записи адрес ячейки и данные, которые нужно сохранить в этой ячейке.

Вследствие такого строения компьютера задача сложения двух значений, хранящихся в оперативной памяти, представляет собой больше, чем простое выполнение операции сложения. Этот процесс включает в себя и работу устройства управления, которое координирует передачу информации между оперативной памятью и регистрами, находящимися в центральном процессоре, и работу арифметико-логического устройства, которое выполняет операцию сложения по команде устройства управления.

Весь процесс сложения двух чисел, хранящихся в оперативной памяти, можно разделить на пять шагов, как показано ниже. В двух словах, данные нужно передать из оперативной памяти в процессор, в процессоре найти сумму двух значений и результат сохранить в ячейке памяти.