В некоторых процессорах применяют более сложную адресацию, которая сочетает индексную адресацию с базовым смещением.

Часто в команду с индексной адресацией включают признак, определяющий шаг индексации Т (Т=1,2,4 и т.д.), что позволяет осуществлять адресацию массивов через байт, слово, двойное слово и т.д.

В современных процессорах (например в Intel 80386 и выше ) применяют все возможные сочетания из базового адреса, индексного адреса, относительного адреса и шага. Например:

- Индексная адресация с шагом. Содержимое индексного регистра умножается на шаг и суммируется со смещением- EA=[X]ЧT+D, где Т - величина шага;

- Базово- индексная адресация EA=[В]+[X];

- Базово- индексная адресация с шагом EA=[В]+[X]ЧТ;

- Базово- индексная адресация со смещением EA=[В]+[X]+D:

- Базово- индексная адресация со смещением и шагом

EA=[В]+[X]ЧТ+D.

Основные характеристики ЗУ

1. Основная характеристика ЗУ (любого типа) -- емкость памяти. Определяет максимальное количество информации, которое может в ней храниться. Емкость может измеряться в битах, байтах или машинных словах. Наиболее распространенной единицей измерения является байт. При большом размере памяти ее емкость выражают в килобайтах (Кбайт) -- 1024 байт, в мегобайтах (Мбайт) -- миллион байт (точнее 1024*1024 байт), в гигобайтах (Гбайт) -- миллиард байт.

Положим, что процессы чтения и записи имеют следующие временные диаграммы:

Структура ОЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ)

В оперативных ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) запись или чтение в/из памяти осуществляется по адресу, указанному регистром адреса (РА). Чтение или запись слова осуществляется за один цикл. Информация, необходимая для осуществления процесса записи- чтения поступает из процессора, а именно: адрес, данные и управляющие сигналы.

Адресная часть с процессора сначала поступает на регистр адреса (РА), а с него- на дешифратор адреса ДшА, который выбирает строку запоминающего массива (номер ячейки памяти). По сигналу запись (Зп) производится запись данных в заданную ячейку памяти.

Структура ОЗУ имеет следующий вид:

Запоминающий массив содержит множество одинаковых запоминающих элементов В памяти статического типа в их качестве используются электронные триггеры, в динамической памяти- полевые транзисторы, работающие на принципе накопления заряда в области затвор-исток.

Особенности организации динамической памяти

Структура микросхем динамической памяти (DRAM) в целом близка к структуре статической памяти. Для уменьшения количества выводов (а следовательно, габаритов и стоимости), в микросхемах динамической памяти (DRAM) используется мультиплексированная ША. Полное количество разрядов ША, подаваемое на микросхему DRAM делится на две части- адрес строки и адрес столбца.

Разделение полного адреса запоминающего элемента и последовательную выдачу его на микросхему осуществляет мультиплексор, являющийся частью контроллера динамической памяти.

Матрица элементов памяти (МЭП) микросхемы DRAM разбита на строки, количество которых равно 2n, где n- количество разрядов адреса строки или столбца. При вводе адреса строки выбранная строка МЭП считывается в регистр-защелку статического типа, входящего в состав микросхемы DRAM. При считывании строки ее содержимое разрушается, но копия содержимого строки оказывается записанной в регистр- защелку.

Подача адреса столбца в сопровождении строба CAS выбирает в регистре- защелке, в зависимости от организации микросхемы DRAM, бит, тетраду, байт и т.д. При появлении сигнала чтения выбранная информация выдается на ШД после чего записывается на прежнее место в строку МЭП.

При записи информация, поступившая на микросхему DRAM с ШД, записывается сначала в соответствующие разряды регистра- защелки, после чего его содержимое переписывается в прежнюю строку микросхемы DRAM.

3.5 ОЗУ магазинного типа (стековая память)

Магазинная (стековая) память организуется по принципу “последний пришел, первый вышел” (LIFO), или “первый пришел, первый вышел” (FIFO). Такая организация памяти является фактически безадресной. Однако регистр адреса в такой памяти имеется и называется указателем стека (УС) (SP-Steak Pointer).



Принципы-организации процессоров

Основными функциями процессора являются:

- организация обращений в ОП;

- дешифрация и выполнение команд;

- инициация работы периферийных устройств;

- обработка запросов прерываний, поступающих из устройств машины.

В обеих структурах в УУ входят регистр команд, счетчик команд, схема управления прерываниями, регистр состояния процессора, дешифратор команд, устройство выработки последовательности сигналов, управляющих ходом выполнения команд в АЛУ и другие устройства.

АЛУ предназначается для выполнения арифметических и логических операций, т.е. в АЛУ происходит преобразование над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над битами, байтами, словами), арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей запятой, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины, а также операции преобразования кодов из одной системы счисления в другую.

Блок РОН позволяет увеличить производительность процессора и расширить его функциональные возможности. Обычно местная память имеет небольшой объем (8-16 байт), но выполняется на быстрых регистрах (на элементной базе самого процессора). Для адресации регистров используются укороченные команды, что сокращает объем программы и, следовательно, время ее выполнения. Расширение функциональных возможностей осуществляется путем введения в РОНы базовых и индексных регистров, а также указателей стека, что позволяет увеличить возможности адресации.

Блок связи с ОП и ПУ организует обмен с ОП и ПУ и обеспечивает защиту участков ОП от несанкционированного доступа .

Часто в состав процессора вводят блок контроля и диагностики, который служит для обнаружения и отказов аппаратуры процессора.



Декомпозиция процессора на УА и ОУ

На приведенном рисунке Y={y1,y2… yn}-множество функциональных сигналов, управляющих ходом выполнения операций. Каждый функциональный сигнал соответствует выполняемой микрооперации на некотором такте работы ЭВМ. U={u1, u2… un}- сигналы, оповещающие о ходе выполнения операции.

Управляющее устройство представляет собой УА, который может быть задан как автомат Мура или Мили.

Существуют два основных типа УУ:

- с жесткой или схемной логикой (аппаратные);

- с хранимой в памяти логикой (микропрограммного управления).

В аппаратных УУ для каждой операции, задаваемой КОП, строится набор схем, которые в нужных тактах формируют соответствующие управляющие сигналы.

В УУ с микропрограммным управлением каждой операции соответствует набор микрокоманд, хранимых в памяти микрокоманд. Каждая микрокоманда несет информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение машинного такта и указания, какая микрокоманда должна быть выбрана из памяти следующей. Последовательность микрокоманд, выполняющая одну машинную команду или некоторую процедуру, образует микропрограмму.

Идея микропрограммного управления была высказана Уилксом в 1951 г. Она заключается в том, что управляющие сигналы “прошиваются” в памяти (ПЗУ, ППЗУ). Схема блока микропрограммного управления БМУ Уилкса следующая (смотри рисунок):

Схема содержит две матрицы C и S, Матрица C -- управляющая, вырабатывает управляющие сигналы. Матрица S определяет последовательность выборки микрокоманд. Точками указаны места прошивки ПЗУ. Функционирует схема следующим образом. В момент действия синхросигнала, выдаваемого генератором тактовых импульсов ГТИ, дешифратор (Дш) выбирает одну из l вертикальных линий. Возбуждение передается на те горизонтальные линии, которые соединены (электрически) с данной вертикальной прошивкой. Выработанные управляющие сигналы по шине Y={y1, y2…ym} поступают в АЛУ и регистры процессора, а по шине R={r0,r1…rl} передается адрес следующей микрокоманды в регистр адреса микрокоманды РАМК.

Микропрограммный способ управления удобен при разработке или дополнении любого набора команд, что достигается заменой одной “прошивки” ПЗУ на другое.

Структура блока микропрограммного управления

В состав БМУ входят память микрокоманд (ПМК), регистр адреса микрокоманд (РАМК), регистр микрокоманд (РМК), дешифратор микроопераций (ДшМО), генератор тактовых сигналов (ГТС).

Код операции (КОП) поступает из ОП системы на регистр кода операции (РКОП), который задает начальный адрес микропрограммы. Адрес микропрограммы формируется устройством формирования адреса МК (УФАМК) и хранится в РАМК. По этому адресу из памяти микрокоманд (ПМК) БМУ считывается микрокоманда и фиксируется в регистре МК (РМК).

КМО дешифрируется и преобразуется в набор управляющих сигналов y1…ym, управляющих функционированием процессора. Адрес следующей микрокоманды поступает в УФАМК, в ркезультате чего производится выборка следующей МК.

Рассмотренный БМУ использует принудительную адресацию МК. БМУ такого типа используются чаще всего. Кроме них используются и БМУ с естественной адресацией, в которых для задания адресов МК используется счетчик микрокоманд Сч МК.

Развернутая структура процессора и его функционирование

В состав процессора (см. рисунок 4.5.1) входят блоки АЛУ, РОН, УУ, интерфейсы памяти и УВВ. Данные из памяти и ПУ последовательно передаются через двунаправленную магистраль данных, БРД и внутреннюю магистраль данных на входы АЛУ или РОН. Команды поступают в РК по той же магистрали.

Выполнение некоторой программы начинается с загрузки СчК начальным адресом. Содержимое СчК передается в буферный регистр адреса (БРА) для адресации памяти. Команда, считанная из памяти по входной магистрали, через БРД поступает в РК. КОП команды используется для выборки микропрограммы из ПЗУ и формирования сигналов, управляющих ходом выполнения команды. Адресная часть команды передается в БРА для выборки операндов. Операнды заносятся в аккумулятор А или один из регистров РОН.

Результаты выполнения команд с выхода сумматора () поступают в магистраль данных, с которой они могут быть пересланы в ОП или любой регистр (А или РОН).

После завершения процесса исполнения текущей команды, содержимое СчК модифицируется и производится выборка следующей команды.

В качестве внешних управляющих сигналов используются выходные сигналы чтения (Чт) и записи (Зп) для управления памятью (формируются при выполнении команд обращения к памяти), сигналы ввода (Вв) и вывода (Выв) (формируются при выполнении команд обращения к УВВ); входной сигнал запрос прерывания ЗПр, обеспечивающий прерывание выполнения основной программы и переход к выполнению подпрограммы, соответствующей внешнему запросу. Часто в процессорах формируют сигналы внутренних прерываний (например, при попытке деления на нуль или при недопустимых переполнениях).

Указатель стека УС предназначен для адресации стековой памяти, которая чаще всего реализуется в некоторой области оперативной памяти. Эта область определяется либо операционной системой, либо программистом путем загрузки начального адреса области стека в УС.

Рабочий цикл процессора

Функционирование процессора состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной команды. Завершив рабочий цикл процессор переходит к выполнению следующего рабочего цикла.

Предположим, что процессор может выполнять четыре типа команд:

- основные (арифметические, логические, пересылочные операции);

- передачи управления;

- ввода-вывода;

- системные (установка маски прерываний, состояния процессора и др.).

Рассмотрим рабочий цикл, выполняемый покомандно (существуют и рабочие циклы, выполняемые по машинным циклам).

Рабочий цикл начинается (см. рисунок 4.5.2) с определения состояния процессора - счет или ожидание . Из состояния ожидания процессор может выйти только по сигналу ЗПр (или “Запрос захвата шины” для некоторых процессоров). Процессор в этом состоянии никаких действий не выполняет.

В состоянии “Счет” (счет- последовательная выборка и выполнение команд), если поступил запрос прерывания, процессор сбрасывает триггер прерывания ТгПр и переходит к выполнения подпрограммы обработки прерывания путем передачи адреса подпрограммы в СчК. Если сигнал ЗПр отсутствует, последовательно выполняются следующие этапы рабочего цикла выполнения основной команды: формирование исполнительных адресов операндов, выборка операндов, выполнение операций и запоминание результата. После этого процессор переходит к выборке следующей команды и цикл повторяется.

При выполнении большинства команд формируются признаки операций, которые используются в командах условного перехода.

При выполнении команд передачи управления проверяется условие перехода по вышеуказанным признакам для команд условных переходов. Если условие не выполняется, то выбирается следующая по порядку команда по подвинутому адресу, хранящемуся в СчК. Если условие выполняется, то в СчК заносится адрес перехода.

Команда вызова подпрограмм и переход к подпрограмме выполняется так же, как и команда перехода, но при этом дополнительно запоминается состояние процессора.

Системные команды производят переключение состояния процессора (программы).

Команды ввода-вывода инициируют обращение процессора к УВВ (ПУ).

Понятие о слове состояния процессора

В ходе функционирования процессора постоянно меняется состояние его внутренних регистров. Если поступит запрос на прерывание выполнения основной программы или команда перехода к подпрограмме, которые приводят к изменению порядка выполнения программы, то для корректного возврата из подпрограммы в основную программу необходимо запомнить состояние процессора.

Содержимое регистров, обеспечивающих восстановление состояния вычислительного процесса, составляет слово состояния программы или процессора ССП (PSW- Program status word).

Чаще всего в информацию о состоянии процессора включают содержимое счетчика команд, содержимое регистра признаков и аккумулятора.

Слово состояния обычно сохраняют в специально отведенной области памяти ЭВМ или стековой памяти. Сохранение производится автоматически (т.е. аппаратно) в начале обслуживания запроса на прерывание программы. Другие регистры процессора могут быть сохранены и восстановлены программным путем.

При естественной адресации адрес следующей команды получается из адреса выполняемой команды увеличением его на 1, 2, 3 и т.д. (в зависимости от количества байт в команде), т. к. команды располагаются в смежных ячейках памяти. Для этого содержимое СчК автоматически модифицируется после выполнения текущей команды.

Для управления ходом выполнения программ и организации ветвлений в систему команд процессоров с естественной адресацией были введены команды условных и безусловных переходов.

В разных машинах реализация этих команд различная, однако общий подход следующий: содержимое поля адреса перехода команды загружается в СчК, после чего процессор продолжает выполнение программы с нового адреса.

Команды безусловного перехода предписывают совершать переход по программе независимо от каких-либо условий. Существуют команды безусловного перехода по косвенному адресу. В этом случае в коде команды указывают адрес ячейки, в которой хранится адрес перехода.

При условном переходе адрес следующей команды зависит от некоторого условия, полученного в результате выполнения предыдущей. Если условие выполняется, то процессор переходит к выполнению программы по адресу, указанному в адресной части команды, если нет, то к команде, следующей непосредственно за командой условного перехода.

Другим типом команд передачи управления являются команды вызова подпрограмм. Их особенность заключается в том, что по окончанию выполнения подпрограммы они должны обеспечить возврат к выполнению программы, из которой подпрограмма была вызвана. Для этого адрес возврата должен быть запомнен, для чего в СчК формируется продвинутый адрес, который затем сохраняется в памяти (или в стеке). Для перехода к выполнению подпрограммы в СчК заносится адресная часть команды ее вызова. По окончанию выполнения подпрограммы адрес следующей команды основной программы, ранее сохраненный в стеке, вызывается из него, заносится в СчК и выполнение программы продолжается. Для организации возврата в основную программу подпрограмма должна оканчиваться командой “Возврат” (“RETURN”). Кроме нее существует также и команда “Условного возврата”.

Перед началом работы информация заносится в регистр, называемый компарандом (операнд в операции сравнения). Каждая ячейка связана с процессором через регистр признаков (Рг.Пр) с помощью разряда Тj. Регистр признака называют памятью отклика. Регистр маски маскирует те разряды компаранда, которые не должны участвовать в операции сравнения.

Перед началом работы все разряды Рг.Пр устанавливаются в состояние “Лог. 0”. По команде процессора “Сравнить” любая ячейка, содержащая слово, которое совпадает с компарандом, формирует сигнал, устанавливающий соответствующий разряд в Рг.Пр в состояние “Лог. 1”. Эта информация является адресной для линейной выборки.

Принципы организации процессоров

Обобщенные структуры процессоров с непосредственными и магистральными связями.

Основными функциями процессора являются:

- организация обращений в ОП;

- дешифрация и выполнение команд;

- инициация работы периферийных устройств;

- обработка запросов прерываний, поступающих из устройств машины.

В обеих структурах в УУ входят регистр команд, счетчик команд, схема управления прерываниями, регистр состояния процессора, дешифратор команд, устройство выработки последовательности сигналов, управляющих ходом выполнения команд в АЛУ и другие устройства.

АЛУ предназначается для выполнения арифметических и логических операций, т.е. в АЛУ происходит преобразование над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над битами, байтами, словами), арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей запятой, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины, а также операции преобразования кодов из одной системы счисления в другую.

Блок РОН позволяет увеличить производительность процессора и расширить его функциональные возможности. Обычно местная память имеет небольшой объем (8-16 байт), но выполняется на быстрых регистрах (на элементной базе самого процессора). Для адресации регистров используются укороченные команды, что сокращает объем программы и, следовательно, время ее выполнения. Расширение функциональных возможностей осуществляется путем введения в РОНы базовых и индексных регистров, а также указателей стека, что позволяет увеличить возможности адресации.

Блок связи с ОП и ПУ организует обмен с ОП и ПУ и обеспечивает защиту участков ОП от несанкционированного доступа .

Часто в состав процессора вводят блок контроля и диагностики, который служит для обнаружения и отказов аппаратуры процессора.

На приведенном рисунке Y={y1,y2… yn}-множество функциональных сигналов, управляющих ходом выполнения операций. Каждый функциональный сигнал соответствует выполняемой микрооперации на некотором такте работы ЭВМ. U={u1, u2… un}- сигналы, оповещающие о ходе выполнения операции.

Управляющее устройство представляет собой УА, который может быть задан как автомат Мура или Мили.

Существуют два основных типа УУ:

- с жесткой или схемной логикой (аппаратные);

- с хранимой в памяти логикой (микропрограммного управления).

В аппаратных УУ для каждой операции, задаваемой КОП, строится набор схем, которые в нужных тактах формируют соответствующие управляющие сигналы.

В УУ с микропрограммным управлением каждой операции соответствует набор микрокоманд, хранимых в памяти микрокоманд. Каждая микрокоманда несет информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение машинного такта и указания, какая микрокоманда должна быть выбрана из памяти следующей. Последовательность микрокоманд, выполняющая одну машинную команду или некоторую процедуру, образует микропрограмму.

Идея микропрограммного управления была высказана Уилксом в 1951 г. Она заключается в том, что управляющие сигналы “прошиваются” в памяти (ПЗУ, ППЗУ).

Схема содержит две матрицы C и S, Матрица C -- управляющая, вырабатывает управляющие сигналы. Матрица S определяет последовательность выборки микрокоманд. Точками указаны места прошивки ПЗУ. Функционирует схема следующим образом. В момент действия синхросигнала, выдаваемого генератором тактовых импульсов ГТИ, дешифратор (Дш) выбирает одну из l вертикальных линий. Возбуждение передается на те горизонтальные линии, которые соединены (электрически) с данной вертикальной прошивкой. Выработанные управляющие сигналы по шине Y={y1, y2…ym} поступают в АЛУ и регистры процессора, а по шине R={r0,r1…rl} передается адрес следующей микрокоманды в регистр адреса микрокоманды РАМК.

Микропрограммный способ управления удобен при разработке или дополнении любого набора команд, что достигается заменой одной “прошивки” ПЗУ на другое.

В состав БМУ входят память микрокоманд (ПМК), регистр адреса микрокоманд (РАМК), регистр микрокоманд (РМК), дешифратор микроопераций (ДшМО), генератор тактовых сигналов (ГТС).

Код операции (КОП) поступает из ОП системы на регистр кода операции (РКОП), который задает начальный адрес микропрограммы. Адрес микропрограммы формируется устройством формирования адреса МК (УФАМК) и хранится в РАМК. По этому адресу из памяти микрокоманд (ПМК) БМУ считывается микрокоманда и фиксируется в регистре МК (РМК).

КМО дешифрируется и преобразуется в набор управляющих сигналов y1…ym, управляющих функционированием процессора. Адрес следующей микрокоманды поступает в УФАМК, в ркезультате чего производится выборка следующей МК.

Рассмотренный БМУ использует принудительную адресацию МК. БМУ такого типа используются чаще всего. Кроме них используются и БМУ с естественной адресацией, в которых для задания адресов МК используется счетчик микрокоманд Сч МК.

Развернутая структура процессора и его функционирование

В состав процессора (см. рисунок 4.5.1) входят блоки АЛУ, РОН, УУ, интерфейсы памяти и УВВ. Данные из памяти и ПУ последовательно передаются через двунаправленную магистраль данных, БРД и внутреннюю магистраль данных на входы АЛУ или РОН. Команды поступают в РК по той же магистрали.

Выполнение некоторой программы начинается с загрузки СчК начальным адресом. Содержимое СчК передается в буферный регистр адреса (БРА) для адресации памяти. Команда, считанная из памяти по входной магистрали, через БРД поступает в РК. КОП команды используется для выборки микропрограммы из ПЗУ и формирования сигналов, управляющих ходом выполнения команды. Адресная часть команды передается в БРА для выборки операндов. Операнды заносятся в аккумулятор А или один из регистров РОН.

Результаты выполнения команд с выхода сумматора () поступают в магистраль данных, с которой они могут быть пересланы в ОП или любой регистр (А или РОН).

После завершения процесса исполнения текущей команды, содержимое СчК модифицируется и производится выборка следующей команды.

В качестве внешних управляющих сигналов используются выходные сигналы чтения (Чт) и записи (Зп) для управления памятью (формируются при выполнении команд обращения к памяти), сигналы ввода (Вв) и вывода (Выв) (формируются при выполнении команд обращения к УВВ); входной сигнал запрос прерывания ЗПр, обеспечивающий прерывание выполнения основной программы и переход к выполнению подпрограммы, соответствующей внешнему запросу. Часто в процессорах формируют сигналы внутренних прерываний (например, при попытке деления на нуль или при недопустимых переполнениях).

Указатель стека УС предназначен для адресации стековой памяти, которая чаще всего реализуется в некоторой области оперативной памяти. Эта область определяется либо операционной системой, либо программистом путем загрузки начального адреса области стека в УС.

4.5.2 Рабочий цикл процессора

Функционирование процессора состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной команды. Завершив рабочий цикл процессор переходит к выполнению следующего рабочего цикла.

Предположим, что процессор может выполнять четыре типа команд:

- основные (арифметические, логические, пересылочные операции);

- передачи управления;

- ввода-вывода;

- системные (установка маски прерываний, состояния процессора и др.).

Рассмотрим рабочий цикл, выполняемый покомандно (существуют и рабочие циклы, выполняемые по машинным циклам).

Рабочий цикл начинается (см. рисунок 4.5.2) с определения состояния процессора - счет или ожидание . Из состояния ожидания процессор может выйти только по сигналу ЗПр (или “Запрос захвата шины” для некоторых процессоров). Процессор в этом состоянии никаких действий не выполняет.

В состоянии “Счет” (счет- последовательная выборка и выполнение команд), если поступил запрос прерывания, процессор сбрасывает триггер прерывания ТгПр и переходит к выполнения подпрограммы обработки прерывания путем передачи адреса подпрограммы в СчК. Если сигнал ЗПр отсутствует, последовательно выполняются следующие этапы рабочего цикла выполнения основной команды: формирование исполнительных адресов операндов, выборка операндов, выполнение операций и запоминание результата. После этого процессор переходит к выборке следующей команды и цикл повторяется.

При выполнении большинства команд формируются признаки операций, которые используются в командах условного перехода.

При выполнении команд передачи управления проверяется условие перехода по вышеуказанным признакам для команд условных переходов. Если условие не выполняется, то выбирается следующая по порядку команда по подвинутому адресу, хранящемуся в СчК. Если условие выполняется, то в СчК заносится адрес перехода.

Команда вызова подпрограмм и переход к подпрограмме выполняется так же, как и команда перехода, но при этом дополнительно запоминается состояние процессора.

Системные команды производят переключение состояния процессора (программы).

Команды ввода-вывода инициируют обращение процессора к УВВ (ПУ).

В ходе функционирования процессора постоянно меняется состояние его внутренних регистров. Если поступит запрос на прерывание выполнения основной программы или команда перехода к подпрограмме, которые приводят к изменению порядка выполнения программы, то для корректного возврата из подпрограммы в основную программу необходимо запомнить состояние процессора.

Содержимое регистров, обеспечивающих восстановление состояния вычислительного процесса, составляет слово состояния программы или процессора ССП (PSW- Program status word).

Чаще всего в информацию о состоянии процессора включают содержимое счетчика команд, содержимое регистра признаков и аккумулятора.

Слово состояния обычно сохраняют в специально отведенной области памяти ЭВМ или стековой памяти. Сохранение производится автоматически (т.е. аппаратно) в начале обслуживания запроса на прерывание программы. Другие регистры процессора могут быть сохранены и восстановлены программным путем.

При естественной адресации адрес следующей команды получается из адреса выполняемой команды увеличением его на 1, 2, 3 и т.д. (в зависимости от количества байт в команде), т. к. команды располагаются в смежных ячейках памяти. Для этого содержимое СчК автоматически модифицируется после выполнения текущей команды.

Для управления ходом выполнения программ и организации ветвлений в систему команд процессоров с естественной адресацией были введены команды условных и безусловных переходов.



В разных машинах реализация этих команд различная, однако общий подход следующий: содержимое поля адреса перехода команды загружается в СчК, после чего процессор продолжает выполнение программы с нового адреса.

Команды безусловного перехода предписывают совершать переход по программе независимо от каких-либо условий. Существуют команды безусловного перехода по косвенному адресу. В этом случае в коде команды указывают адрес ячейки, в которой хранится адрес перехода.

При условном переходе адрес следующей команды зависит от некоторого условия, полученного в результате выполнения предыдущей. Если условие выполняется, то процессор переходит к выполнению программы по адресу, указанному в адресной части команды, если нет, то к команде, следующей непосредственно за командой условного перехода.

Процедура выполнения команд вызова подпрограмм

Другим типом команд передачи управления являются команды вызова подпрограмм. Их особенность заключается в том, что по окончанию выполнения подпрограммы они должны обеспечить возврат к выполнению программы, из которой подпрограмма была вызвана. Для этого адрес возврата должен быть запомнен, для чего в СчК формируется продвинутый адрес, который затем сохраняется в памяти (или в стеке). Для перехода к выполнению подпрограммы в СчК заносится адресная часть команды ее вызова. По окончанию выполнения подпрограммы адрес следующей команды основной программы, ранее сохраненный в стеке, вызывается из него, заносится в СчК и выполнение программы продолжается. Для организации возврата в основную программу подпрограмма должна оканчиваться командой “Возврат” (“RETURN”). Кроме нее существует также и команда “Условного возврата”.

Процесс выполнения команд “Вызов подпрограмм” проиллюстрирован на рисунке.

Классификация ЭВМ

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:

аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают. ЦВМ работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. АВМ работают с информацией, представленной в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо величины (чаще всего электрического напряжения). ГВМ работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные вычислительные машины (ЭВМ). По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);

3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

4-е поколение, 80-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле);

5-е поколение, 90-е годы: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний;

ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6-е поколение и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующими существенно лучшие характеристики. По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: математических, экономических, информационных и других задач, 2 отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести управляющие вычислительные комплексы.

Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.



Структура персонального компьютера

Персональный компьютер - универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.

Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь. Достоинствами ПК являются: малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя; автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды; гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту; "дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки; высокая надежность работы (более 5 тыс. ч наработки на отказ). Системный блок Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными. По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный (mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim). Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: АТ и АТХ. Форма фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором системной платы компьютера, так называемой материнской платы. Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт. Математический сопроцессор Основная память Внешняя память Постоянное Оперативное Накопители Накопители на запоминающее запоминающее на жестком гибком устройство устройство магнитном магнитном (ПЗУ) (ОЗУ) диске диске Таймер Контроллер НЖМД Контроллер НГМД Процессор Системная шина Видеокарта Адаптер Контроллер Сетевая Блок принтера клавиатуры карта питания Монитор Принтер Клавиатура Канал связи Генератор тактовых импульсов

Микропроцессор

Неотъемлемым компонентом любой ЭВМ является центральный процессор. Чаще всего это большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый кристалл в пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Степень интеграции интегральной схемы определяется размером кристалла и количеством размещенных в нем транзисторов. Основные функции микропроцессора - выполнение вычислений, пересылка данных между внутренними регистрами, управление ходом вычислительного процесса.

Микропроцессор непосредственно взаимодействует с оперативной памятью и контроллерами системной платы. Главными носителями информации внутри процессора служат регистры. В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ - арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например, блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей запятой. В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера, который заключается в следующем. Реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы (как правило, это выборка команды из памяти, декодирование, выполнение и запись результата). Выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья - выбираться и т.д.). Таким образом, одновременно микропроцессор выполняет несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выполнение каждой команды уменьшается в несколько раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Поскольку в программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд, в современных микропроцессорах при использовании конвейерной архитектуры предусматриваются механизмы предсказания переходов - так называемое «исполнение по предположению и изменением последовательности». Это означает, что если в очереди команд появилась команда условного перехода, предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только послевычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви программы ошибочен, микропроцессору приходится вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд - CISC-процессорами (CISC - Complex Instruction Set Computing). В противоположность CISC-процессорам в середине 80-годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таком образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее.

Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится кодировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора. В результате конкуренции межу двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

* CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах; информатика программа память адресация

* RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти. Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5В. С переходом к процессорам Pentium оно было понижено до 3.3В, а в настоящее время оно составляет менее 3В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2.2В.

Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-400 МГц.

Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициенты 3; 3.5; 4; 4.5, 5 и более. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

Основная память

Основная память содержит оперативное (RAM -- Random Access Memory -- память с произвольным доступом) и постоянное (ROM -- Read-Only Memory) запоминающие устройства. Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ -- энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Оперативная память - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM). Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, т.е. запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает существенно более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже. Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве кэш-памяти. Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM-модули - 16, 32, 64, 128, 256 и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. 

Системная шина

В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти системы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Механизмом, позволяющим организовывать взаимодействие различных подсистем, является системная шина, к которой подключаются все подсистемы. Поскольку такая шина является единственным местом подключения для различных устройств, новые устройства могут быть легко добавлены, и одни и те же периферийные устройства применяются в различных вычислительных системах, имеющих однотипную шину. Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в персональных компьютерах на базе процессора i286. Она обеспечила простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способность шины ISA составляет до 5,5 Мбайт/c, но несмотря на низкую пропускную способность, эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения сравнительно медленных внешних устройств, например, звуковых карт и модемов. Для увеличения производительности системы с 1991 года стали использовать так называемые локальные шины, связывающие процессор непосредственно с контроллерами периферийных устройств. Процессорно-независимая шина PCI (Peripheral Component Interconnect - стандарт подключения внешних компонентов), работает с тактовой частотой 33 МГц и высокой скоростью передачи данных (528 Мбайт/с). Для шины PCI выпущены многе адаптеры периферийных устройств - видеоплаты, контроллеры дисков, сетевые адаптеры и др. Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти. Видеоадаптер - устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям видеоадаптеров, поэтому для них разработана отдельная шина, получившая название AGP (Advanced Graphic Port - усовершенствованный графический порт). Частота этой шины соответствует частоте шины PCI (33 МГц или 66 МГц), но она имеет намного более высокую пропускную способность - до 1066 Мбайт/с. 11 USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. USB позволяет подключать до 256 устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства подключаются цепочками (каждое следующее - к предыдущему). Производительность шины USB составляет 1,5 Мбит/c, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем этого достаточно. Преимущество шины состоит в том, что она практически исключаетконфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Внешняя память

Устройства внешней памяти или, иначе, внешние запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д. Носитель -- материальный объект, способный хранить информацию. В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители с последовательным доступом (магнитная лента) и накопители с произвольным доступом (дисковые накопители). Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной магнитной ленте (НБМЛ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ - стриммеры). В ПК используются только стриммеры. Внешние запоминающие устройства Ленточные Дисковые Бобинные Кассетные Магнитные Оптические Смешанные Сменные носители Несменные носители Рис. 3. Классификация ВЗУ Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом.

Основные внешние устройства ПК

Внешние устройства ПК подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря им компьютерная система приобретает гибкость и универсальность. КЛАВИАТУРА Клавиатура --клавишное устройство управления персональным компьютером.

Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления.

Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя.

С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают отклик. Внутри корпуса клавиатуры расположены датчики клавиш, схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Каждая клавиша имеет свой порядковый номер. При нажатии и отпускании клавиши в буферную память контроллера клавиатуры поступает код нажатия или отпускания (соответственно 0 или 1) в седьмой бит байта и номер клавиши или ее скан-код в ее остальные семь бит байта. При поступлении любой информации в буферную память посылается запрос на аппаратное прерывание, инициируемое клавиатурой. При выполнении прерывания скан-код преобразуется в код ASCII с помощью хранящихся в

ПЗУ программируемых системных таблиц драйвера клавиатуры. Скан-код и ASCII-код пересылаются в соответствующее поле (буфер клавиатуры) ОЗУ машины. При этом по наличию кода отпускания проверяется, все ли клавиши отпущены в момент нажатия следующей клавиши (это необходимо для организации совместной работы с клавишами <Shift>, <Ctrl> и <Alt>). МЫШЬ Мышь - особого рода манипулятор, позволяющий оптимизировать работу с Большой категорией компьютерных программ. По способу перемещения мыши делятся на оптико-механические и оптические. По способу передачи данных в компьютер мыши делятся на проводные и беспроводные. Принцип работы оптомеханической мыши состоит в следующем: утяжеленный шарик с резиновым покрытием катается по плоской поверхности и вращает два перпендикулярно расположенных валика, сообщая движение в системе координат.

Видеотерминальные устройства

Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (адаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока ПК (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы), а видеомониторы -- это внешние устройства ПК. Видеомониторы Видеомонитор, дисплей или просто монитор -- устройство отображения текстовой и графической информации на экране (в стационарных ПК -- на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), в портативных ПК -- на жидкокристаллическом плоском экране). Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах, стандартные размеры: 14”, 15”, 17”, 19”, 20“, 21”. В настоящее время наиболее 17 универсальными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов, а для операций с графикой желательны мониторы размером 19 - 21 дюйм. ЭЛТ для мониторов по принципу формирования цветного изображения делятся на ЭЛТ с теневой маской (структура экрана из триад точек люминофора основных цветов) и ЭЛТ с апертурной решеткой (структура экрана в виде вертикально чередующихся полос люминофора основных цветов). Изображение на экране монитора получается в результате облучения люминофорного покрытия остронаправленным пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки или полоски трех типов, светящиеся красным, зеленым и синим (Red-Green-Blue) цветом. Чтобы на экране все три луча сходились в одной точке и изображение было четким, перед люминофором ставят маску - панель с регулярно расположенными круглыми отверстиями или решетку из вертикально натянутых тонких струн. Чем меньше шаг между отверстиями или щелями, тем четче и точнее полученное изображение. Шаг маски измеряют в долях миллиметра. В настоящее время наиболее распространены мониторы с шагом маски 0.25 - 0.27мм. Модели повышенной стоимости могут иметь значение до 0.18мм. Важной характеристикой монитора является частота его кадровой развертки.