double arrow

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОЦЕССОРА


СТРУКТУРА ЭВМ. ЦИКЛ ПРОЦЕССОРА

ВВЕДЕНИЕ

1. В главе рассматривается классическая структура компьютера – структура фон Неймана (von Neuman). Рассматриваются вопросы структурной организации и функционирования процессора.

Принципы фон Неймана

2. В основу построения подавляющего большинства вычислительных машин положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом (1900-1952).

lПринцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр, физически находящийся в процессоре, последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду.

Выборка команд из основной памяти прекращается после достижения и выполнения команды СТОП. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

lПринцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти: число, текст (символы) или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода с алгоритмических языков высокого уровня на язык машины.

lПринцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует, что существует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Структура компьютера

3. Вычислительные машины, построенные на перечисленных выше принципах, называются фоннеймановскими. Классическая структура компьютера (структура фон Неймана) показана на рис.5.1.

 
 


4. Обратимся к классической структуре. Из рисунка видно, что во всякой машине можно выделить пять основных блоков.

5. Входное устройство служит для ввода в машину всей необходимой информации для решения задач. Входная информация – информация (числовая, текстовая, графическая, электрические сигналы и т. п.), представленная в символах входного алфавита. Обычно эта информация состоит из некоторой программы и массива данных, с которыми программа будет работать. Программа и данные, представленные в памяти символами внутреннего алфавита, кодируются как числа в двоичной системе счисления.

6. Вся вводимая информация попадает в запоминающее устройство, где она хранится до момента, пока не понадобится. Через команды программы осуществляется управление работой всей машины.

7. Основные параметры, характеризующие память вычислительной машины, это емкость и время обращения к памяти.

8.Емкость памяти– максимальное количество фиксированных единиц – слов информации, которое может быть размещено в запоминающем устройстве. Ячейка памяти – независимо адресуемая часть памяти, содержимое которой выбирается за одно обращение.

9. Время обращения– интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти). Оно характеризует затраты времени на поиск места и запись (чтение) слов в память.

10. Для построения запоминающих устройств в качестве физических элементов используют электронные схемы, ферритовые магнитные материалы, магнитные ленты, диски, оптические запоминающие элементы и т.д.

11. Выходное устройство осуществляет преобразование результатов решения задачи, представленных в символах внутреннего алфавита, в выходную информацию, представленную символами выходного алфавита, и выдачей информации из машины. В зависимости от вида выходной информации различают выходные устройства: печатающие, графические, отображающие и т.д.

12. ЭВМ, как правило, выдает информацию в виде, удобном для человека. Специализированные ЭВМ могут выдавать на выходе электрические управляющие сигналы или другую информацию, что определяется характером системы, в которой работает машина.

13. Поскольку во входном устройстве кодирование осуществляется в машинное представление, а в выходном – из машинного представления, то средства эти могут быть общими. Именно поэтому входное и выходное устройства часто объединяются в единое устройство ввода-вывода. С его помощью реализуется интерфейс (общение) пользователя с машиной.

14. Арифметико-логическое устройство(АЛУ) – функциональная часть компьютера, выполняющая логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.

АЛУ характеризуется:

- временем выполнения элементарных операций;

- средним быстродействием, т.е. количеством арифметических и логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду);

- набором элементарных действий, которые оно выполняет;

- видом алфавита или системы счисления, в которой производятся действия (выбор системы счисления оказывает влияние на все технические характеристики устройства).

15. Устройство управления – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для автоматического управления ходом вычислительного процесса, обеспечивающая взаимодействие всех частей машины в соответствии с программой решения задачи.

Устройство управления обращается в память машины, выбирает очередную команду, расшифровывает ее и вырабатывает сигналы, указывающие другим устройствам, что им надлежит делать.

Управление от программы решения задачи, которое хранится в памяти компьютера, обеспечивает полную автоматизацию процесса решения. Поэтому компьютеры – универсальные ЭВМ – называют программно-управляемыми автоматами.

16. Оператор может вмешаться в ход решения задачи через пульт, соединенный с устройством управления.

17. Комплекс устройств, охватывающий арифметико-логическое устройство, часть памяти (назовем ее оперативным запоминающим устройством – ОЗУ) и устройство управления, называется процессором. Процессор – самое важное устройство компьютера.

18. Большинство процессоров современных компьютеров слишком сложны, чтобы их можно было достаточно легко и просто описать в этой книге. Поэтому основные особенности внутренней организации и функционирования мы будем последовательно изучать на его упрощенном варианте.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОЦЕССОРА

19. Структурная схема процессора без соединений между основными узлами приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Основные узлы процессора

20. Функции АЛУ:

а) выполнение арифметических операций, например, сложения и вычитания;

б) выполнение логических операций, например, операций И, ИЛИ, НЕ.

АЛУ выполняет операцию над словом данных, которое было «загружено» в специальный внутренний регистр процессора - аккумулятор.Наш гипотетический компьютер имеет один аккумулятор разрядностью 16 бит (длина машинного слова).

21. В качестве примера рассмотрим выполнение операции ОТРИЦАНИЕ.

На рис.5.3 показано, как АЛУ выполнит эту операцию над данными в аккумуляторе.

Рис. 5.3. Операция ОТРИЦАНИЕ

22. Другие операции, как, например, СЛОЖЕНИЕ, ВЫЧИТАНИЕ, И и ИЛИ требуют два операнда.

Допустим, что число 610 загружено в аккумулятор (оно в действительности будет загружаться в двоичной форме, т.е. 0000 0000 0000 0110), и мы хотим прибавить к нему число 510 (0000 0000 0000 0101), которое находится в ОЗУ в ячейке с адресом 2. Данное из ОЗУ должно быть считано в специальный Регистр Данных(РгД).

Выполнение операции иллюстрируется рис.5.4.

                   
   
 
   
5 считывается в РгД
 
   
 
 
   
Содержимое РгД складывается с содержимым аккумулятора, результат помещается в аккумулятор


Рис. 5.4. Взаимодействие блоков процессора

(команда СЛОЖЕНИЕ)

23. Будем счтитать, что адрес текущей команды или данного в нашем процессоре хранится в специальном регистре адреса памяти (РгАП).Теперь структуру процессора иллюстрирует рис. 5.5.

ВЫПОЛНЕНИЕ КОМАНДЫ

24. Основную функцию по координации аппаратных средств при выполнении последовательности команд и каждой команды программы осуществляет устройство управления.

Рис. 5.5. Регистр адреса памяти в процессореРеHt

25. Команды, представленные в форме, в которой они непосредственно используются устройством управления, называются машинными командами,а о программах, написанных машинными командами, говорят, что они написаны вмашинном коде.

26. Машинная команда имеет несколько составных частей. Что касается нашего гипотетического процессора, то первая часть каждой его команды содержит код операции,которую нужно выполнить. Остальная часть команды адресует операнд.

Например, команда СЛОЖЕНИЕ начинается с кода операции - 00102, далее идет адрес операнда - 0000 0000 00102 (рис. 5.6). Один из операндов всегда находится в аккумуляторе (второе слагаемое). Результат всегда помещается в аккумулятор.

Формат команды в РгК

 
 


Рис. 5.6. Формат команды СЛОЖЕНИЕ

27. Обратим внимание на то, что каждая ячейка в ОЗУ может содержать данные или команды, и эти данные и команды с точки зрения двоичного кода неразличимы. Программист, работающий в машинном коде, несет ответственность за то, где в ОЗУ находятся данные, и где команды, чтобы данные не были использованы как команды и наоборот.

28. Взаимодействие блоков процессора при выполнении команды СЛОЖЕНИЕ схематично показано на рис. 5.7.

 
 


Рис. 5.7. Взаимодействие блоков процессора при
выполнении команды СЛОЖЕНИЕ

29. Для временного хранения машинной команды используется специальный регистр, содержимое которого интерпретируется как команда – Регистр Команды (РгК).

30. Итак, команда, записанная в РгК, имеет две части: функциональную и адресную.

31. Последовательность выполнения команды:

а) устройство управления декодирует функциональную часть команды, интерпретируя ее как операцию сложения;

б) адрес операнда из адресной части РгК пересылается в РгАП;

в) устройство управления инициирует чтение операнда из ячейки, адрес которой находится в РгАП, и загрузку операнда в РгД. Таким образом, 5 из второй ячейки оказывается в регистре данных;

г) АЛУ выполняет операцию (сложение) над содержимым РгД и аккумулятора. А результат по сигналу устройства управления будет занесен в аккумулятор. Таким образом, к концу команды сложения содержимое аккумулятора равно 11.

Этим завершается выполнение команды.


Сейчас читают про: