Архитектура_ЭВМ

АрхитектураЭВМ.

Это совокупностьпринципов и способов реализации ЭВМ, с помощью которых обеспечиваетсявыполнение заданий пользователяи программированиезадач. БольшинствосовременныхЭВМ можно классифицироватькак машины с архитектурой, предложеннойв 1945 – 1946 годах американскимматематикомДжоном фон Нейманом. Почти всё семейство персональныхкомпьютеровпо своей архитектурепривязаны к конструктивным решениям, найденнымиразработчиками компании Intel более 25 лет назад. Множество различных процессоров объединено в семейства. Серию микросхем ЦП компании Intel назвала x86. Первый персональныйкомпьютер серии IBM появился в 1981 году. Все микропроцессоры построены на принципах, сформулированных Дж. Ф. Н. в конце 40-х годов 20века. В машине Неймана реализуются3 принципа построения компьютеров:

1)Принцип программногоуправления

2)Принцип запоминаемойпрограммы

3)Принцип параллельнойорганизации вычислений Рассмотримкаждый принцип в отдельности.

Принцип программногоуправления подразумевает, что управление компьютернойсистемой осуществляетсяпо заранее подготовленнойпрограмме, представляющейсобой последовательность инструкций – команд, расположенных линейно друг за другом в основной памяти ЭВМ. Программа выполняетсяпо-командно, в порядке записи команд. Такая последовательностьвыполнения команд называется естественной. Порядок выполнениякоманд может быть нарушен командой перехода. В этом примере естественнаяпоследовательностькоманд изменена тем, что команда 2 является командой перехода и за ней может выполнятьсякоманда 2, а может быть 7. Всё будет зависеть от проверки некоторых условий. Команда 6 также является командой перехода. Программа машины Неймана является запоминаемой, т.е. при исполнении её следует поместить в память ЭВМ, а затем

инициироватьвыполнение первой команды. Команда выбирается из основной памяти ЭВМ автоматическив естественномпорядке и интерпретируетсяв соответствиис принципом программногоуправления. Принцип параллельнойорганизации вычисленийподразумевает, что операции над числом проводятся над всеми его разрядами одновременно. Так, один из первых микропроцессоров, 8886, выпущенныйв 1978 году, имел разрядностьданных в 16 бит. Разрядностьадреса – 20 бит, не имел сопроцессора, поддерживалтолько реальный (однопрограммный) режим работы, имел верхний придел доступной памяти в 1 Мбайт. Компьютер Pentium 4 имеет тактовую частоту 1,5 Ггц и может обрабатывать128 разрядные целочисленныеинструкции. Принципиальновсе современные компьютеры, базирующиесяна архитектуре Неймана, включают 3 составляющих:

1)ЦП

2)ОЗУ

3)Внешнее устройство.

Основные свойства ЭВМ, использующих

архитектуруНеймана. 1)Она имеет единственную

прямоадресуемуюосновную память для размещенияпрограмм и данных, адреса областей которой составляют последовательностьтипа 0, 1, 2, … . В прямоадресуемойпамяти доступ по чтению или записи к адресуемымобластям осуществляетсяпо номеру этой области (её абсолютномуадресу) и не зависит от этого номера 2)Основная память является линейной

3)Команды и данные хранятся одинаково в единой области памяти. Вид информации определяетсянеявно в зависимостиот её использования. Например, объект, на который указывает команда перехода, интерпретируетсякак команда, а если на операнд арифметическойоперации, то как данное. Эти соглашения не мешают обращаться с командами как с данными (например, модифицироватькоманды, используя их как операнды, или осуществлятьпереход к объекту данных и исполнять его как команды)

4)Тип данных не является неотъемлемой частью данных. Значит, нет никаких средств, позволяющихявно отличить число от строки символов. Если машина извлекает команду обработки строк символьной информации, то предполагается, что в адресной части этой команды имеется ссылка на область данных, содержащихсимвольнуюстроку. И если в этой области содержатся данные другого типа, они всё равно будут обрабатываться как символьная строка.

Указанные особенностиархитектуры Неймана, с одной стороны, расширяют возможностипрограммистапри разработке программы, но, с другой стороны, являются причинами многих ошибок.

Архитектураи программнаямодель процессора.

Микропроцессор8086.

Архитектурамикропроцессороввключается в себя описание всех доступных компонентов процессора, систему команд, форматы данных, способы доступа к памяти, организациюпрограмм и т.д. Микропроцессор8086 – 16 разрядный

процессор 3 поколения, выполненныйна кремниевомкристалле, с 16 разрядной внешней магистральюдля связи с памятью и устройствамиввода – вывода. Микропроцессорс ОЗУ и ПЗУ оставляют ядро ПК, а остальные компоненты – периферию. На микропроцессорвозлагаются функции управления остальнымипроцессами в ЗВМ и синхронизацииих с процессами, протекающимиво внешних устройствах ввода – вывода.

Шины.

Системы компьютераимеют шины (соединительныеканалы), по которым данные и другая информацияпередаются между микропроцессором, памятью и устройствамиввода – вывода. Различают 3 основные группы шин: информационные, адресные и шины управления. В компьютерах, базирующихсяна микропроцессорах8086, адресная шина содержит 20 линий, и информация, появляющаясяна ней, есть адрес, определяющийячейку памяти компьютера. По информационнойшине передаются

команды для микропроцессора, данные, а также информация, генерируемаясамим микропроцессором. Разрядность информационнойшины (количество её линий) зависит от возможностей микропроцессора. Другое название информационнойшины – шина данных. В микропроцессорах8086 – 16 разрядная шина. Шина управления включает линии, по которым передаются команды, определяющиетип связей и координирующие действия микропроцессора, его памяти и периферийныхустройств.

Логика работы микропроцессоров. Выполнениепрограмм микропроцессором осуществляетсяпутём повторения путём следующих обобщённыхопераций: 1)Выборка машиной команды из памяти 2)Чтение операндов (если необходимо) из памяти 3)Выполнениекоманд

4)Запись результата в память (если необходимо)

Архитектурамикропроцессора8086 позволяет разделить вышеперечисленные

операции между двумя отдельными устройствамив ЦП - операционным устройствоми шинным интерфейсом. Первое осуществляетнепосредственноевыполнение машинных команд, а второе осуществляет генерацию адреса, выборку команд и операндов, запись результатов. Центральныйпроцессор.

Операционноеустройство Шинный интерфейс

AXCS

BXDS

CXSS

DXES

SP IP BP SI DI

С этими устройствамипрограммист общается при помощи специальныхячеек памяти внутри процессора, которые называются регистрами.

Схема работы операционногоустройства и шинного интерфейса.

Операционноеустройство микропроцессора содержит арифметико-логическое устройство и некоторые регистры. Для ускорения внутреннегообмена все регистры и шины данных в ОУ выполнены 16 разрядными. ОУ не имеет прямого доступа к памяти. Оно получает команды из очереди, организованнойшинным интерфейсом. ШИ осуществляетвыборку из памяти ЭВМ очередной команды из ряда команд программы, в то время как ОУ занято выполнениемтекущей команды. Микропроцессор8088 имеет внутреннюю ОЗУ, называемуюочередью команд, которая может хранить до 4 выбранных из потока команд байтов. Если один байт в очереди свободен и не активизированзапрос от ОУ, ШИ автоматическиосуществляетвыборку следующегобайта команды. Если ОУ выполняет команду, изменяющую естественныйход выполненияпрограммы, то ШИ начинает заполнять очередь команд новыми значениями. В большинствеслучаев ОУ может сразу получить команду из очереди, а не ждать выбора команды из

памяти. Регистры.

Регистром называют устройство, предназначенноедля временного хранения информацииво время её обработки. Микропроцессоры8086\8088 имеют 14 регистров, используемыхдля управления выполняющейсяпрограммой, для адресации памяти и ля обеспеченияарифметических вычислений. Каждый регистр имеет длину в одно слово (16 бит) и адресуется по имени. Биты регистра пронумерованыслева направо, начиная с нулевого. Все нумерации, связанные с архитектурой микропроцессоров, принято приводить в шестнадцатеричнойсистеме счисления. Регистры условно разделены на 3 группы по логике пользования: регистры общего назначения (данных, AX, BX, CX, DX); регистры указатели (SP, BP, DI, SI); сегментные регистры (CS, DS, SS, ES); регистры флагов. Также имеется указатель команд IP, который иногда включают во вторую группу Особенностьрегистров общего назначения в