Учебное пособие для иностранных студентов

Архитектура ЭВМ и язык ассемблера.

Учебное пособие для иностранных студентов

Вы уже познакомились с понятием " алгоритм". Как Вы помните, алгоритм описывает действия, которые исполнитель произведёт над объектами для достижения некоторой цели. В этом пособии мы рассмотрим пример одного возможного исполнителя - электронно-вычислительную машину (ЭВМ, или компьютер). Мы разберем, как устроен компьютер и как именно он выполняет алгоритм.

§1 Принципы фон-Неймана.

П.1. Свойства ЭВМ.

Целью создания первых вычислительных машин было облегчить, упростить громоздкие арифметические вычисления, которые приходилось выполнять при решении физических и инженерных задач. Для того чтобы производство вычислительной машины экономически оправдало себя, нужно чтобы

1. машина была универсальной - пригодной для решения не одной конкретной задачи, а целого класса задач.

2. машина должна обладать достаточным быстродействием. (Быстродействие - скорость вычислений). Чем выше быстродействие, тем больше задач решает машина за фиксированный отрезок времени. Тем эффективнее работа машины.

3. стоимость производства машины не должна быть очень большой.

П.2. Принципы фон-Неймана.

В 1943 г. американский математик Джон фон-Нейман описал как, по его мнению, должна быть устроена машина для вычислений. Сформулированные им принципы получили название "принципов фон-Неймана", а машины, построенные в соответствии с ними, стали называть фон-Неймановскими. Большинство современных ЭВМ являются фон-Неймановскими.

Основными частями ЭВМ являются процессор и память. Процессор управляет работой компьютера; обеспечивает выполнение программ. Память (оперативная память) служит для хранения данных и программы во время работы компьютера.

	О.П.
0
1
.
.
.
N-1

Оперативная память состоит из элементов - ячеек. Каждая ячейка имеет свой номер, который называется адресом. Если в памяти N ячеек, они нумеруются от 0 до N‑1. Ячейка состоит из разрядов. Каждый разряд содержит одну двоичную цифру (0 или 1). Количество разрядов во всех ячейках одинаково и называется разрядностью машины.

Принципы фон-Неймана.

1. Линейная организация памяти.
Ячейки памяти располагаются последовательно по возрастанию номеров.

2. Прямой доступ к элементам памяти.
Доступ к ячейке осуществляется по её адресу, в каждый момент работы компьютера можно обратиться к любой ячейке памяти.

Этот принцип обеспечивает облегчение программирования, удобство и надежность использования ЭВМ. (Вспомните машину Тьюринга. Для доступа к ячейке, отстоящей, например, на три ячейки правее данной, требовалось вводить три дополнительных состояния.)

1. Использование двоичной системы для хранения и обработки информации.
   Этот принцип следует прежде всего из практических соображений: довольно легко с помощью электронных устройств реализовать два возможных состояния - 0 и 1.

1. Принцип хранимой программы.
   Программа, управляющая процессом вычислений, хранится в памяти машины.

Этот принцип обеспечивает универсальность ЭВМ. (Сравним с машиной Тьюринга: каждая машина Тьюринга имела одну программу и могла решать только одну задачу! )

5. Машинные операции.
Существует набор действий по обработке данных, выполняемых аппаратно (реа­ли­зо­ванных в виде электронных схем). Эти действия называются машинными опера­циями.

Чем больше машинных операций, тем легче программировать для ЭВМ и тем выше ее быстродействие. ( Вспомните, чтобы прибавить 1 к числу с помощью МТ, требовалось написать достаточно объемную программу.)

Каждой машинной операции соответствует машинная команда - после­довательность нулей и единиц, которую может понять и выполнить процессор.

Таким образом, содержащиеся в ячейке памяти нули и единицы могут изображать данное, а могут являться командой. Что же именно записано в ячейке - данное или команда - определяется во время работы ЭВМ. В дальнейшем мы обсудим подробнее этот вопрос.

Итак, команда - это приказ процессору выполнить машинную операцию. Последовательность команд называется программой.

6. Последовательное исполнение команд.
Команды, записанные в памяти компьютера, выполняются последовательно, друг за другом.

§2. Структура ЭВМ.

Вычислительная машина состоит из следующих компонент

Назначение компонент.

Процессор	– управляет работой ЭВМ, обеспечивает выполнение программ.
Оперативная память	– используется для хранения данных и программ во время работы ЭВМ
Внешние устройства	– служат для связи ЭВМ с внешним миром

Рассмотрим структуру и работу каждой из компонент.

П.1. Процессор. Такт работы процессора.

Процессор включает в себя следующие устройства.

АЛУ (арифметическое устройство)	– оно выполняет арифметические и логические операции (например, сложение, вычитание, умно­жение)
УУ (устройство управления)	– управляет работой процессора

ЦП

Регистры - специальные ячейки, которые находятся в ЦП.

РК (регистр команды)	содержит машинную ко­манду, которую выпол­няет в данный момент процессор.
СА (счетчик адреса)	содержит адрес следу­ющей команды.
СС (слово-состояние)	содержит информацию о результате выполнения команды.

Выполнение процессором одной машинной команды назовём тактом работы процессора.

Рассмотрим, как процессор выполняет машинную команду на примере команды

Пусть 01 изображает код операции (КОП) "сложение"; А1, А2, А3 - адреса первого операнда, второго операнда и результата соответственно.

1. В РК считывается из ОП команда, адрес которой записан в СА.

2. Содержание СА увеличивается на 1, так что теперь в СА получился адрес следующей команды программы.

3.УУ анализирует содержимое РК и организует выполнение команды.

Выделяется КОП. Определяется, что надо выполнить операцию "сложение". Опре­де­ля­ются А1, А2, А3. Содержимое ячеек ОП с адресами А1, А2 пересылаются в АЛУ. Далее АЛУ выполняет действие сложение. Результат сложения из АЛУ пересылается в ячейку памяти с адресом А3. В регистр СС записывается информация об удачном (или неудачном) окончании выполнения сложения.

Далее работа повторяется с первого шага.

Ранее мы отмечали, что ячейка ОП может содержать данное или команду. Теперь понятно, как процессор отличает данное от команды: если адрес ячейки встретился в команде как адрес операнда, процессор обрабатывает содержимое ячейки как данное; если адрес ячейки получился в счетчике адреса, процессор обрабатывает содержимое ячейки как команду. Содержимое одной и той же ячейки в один момент работы процессора может трактоваться как данное, а в другой - как команда.

Перед началом работы процессора в регистр СА записывается аппаратно всегда один и тот же адрес, и первая команда программы должна располагаться в ОП в ячейке именно с этим адресом.

П.2. Оперативная память.

Мы касались устройства оперативной памяти в §1. Напомним основные све­дения.

	О.П.
0
1
.
.
.
N-1

Оперативная память (ОП) состоит из ячеек. Каж­дая ячейка имеет свой адрес - число от 0 до N-1. Ко­ли­чество ячеек (N) называется объемом ОП. Заметим, что объем ОП и размер регистра СА взаимосвязаны: количество разрядов в СА должно быть достаточно для хранения любого возможного адреса. (Наибольший возможный адрес в нашем предположении N-1.)

Ячейки состоят из разрядов. Количество разрядов во всех ячейках одинаково и называется разрядностью машины. Каждый разряд содержит одну двоичную цифру. Иногда разряды называются битами. В программировании слово "бит" используют в двух смыслах:

Бит - один двоичный разряд ячейки.

- содержимое одного двоичного разряда.

Содержимое ячейки называют словом или машинным словом.

каком-нибудь состоянии; это состояние изображает "0" или "1". Таким образом, ячейка Содержимое ОП. Ячейки могут хранить данные и команды. Команды, составляющие программу, обычно располагаются в ОП последовательно, друг за другом. Что именно содержит ячейка - данное или команду - определяется в момент использования содержимого ячейки.

Работа ОП. Заметим, что ячейка ОП всегда имеет некоторое содержимое. В самом деле, электронное устройство, являющееся разрядом в ячейке, обязательно находится в заполнена нулями и единицами. Однако это содержимое не имеет никакого смысла. Для того, чтобы можно было обрабатывать данное, содержащееся в ячейке, надо сначала это данное записать в ячейку.

Итак, есть две основные операции работы с ОП:

1. Запись данного в ячейку.

ЦП сообщает ОП, чту именно надо записать и по какому адресу. При записи в ячейку ее старое содержимое теряется, становится недоступным.

1. Чтение содержимого ячейки.

ЦП передает ОП нужный адрес. Содержимое ячейки с этим адресом считывается и пересылается в ЦП. При чтении содержимое ячейки не изменяется.

Чтение и запись в ОП производится специальными электронными схемами. При выключении вычислительной машины содержимое ОП теряется.

П.3. Внешние устройства.

Внешние устройства служат для связи ЭВМ с окружающим миром. Обычно к ЭВМ подключаются клавиатура, монитор (экран, дисплей), внешние запоминающие устройства (жесткие диски, дисководы для гибких дисков) и мышь. В зависимости от того, для каких целей используют ЭВМ, набор подключенных к ЭВМ устройств может сильно изменяться. К внешним устройствам относятся:

• принтер (печатающее устройство),

• устройство для работы с магнитными лентами,

• сканер (устройство для ввода графических изображений),

• модем (устройство для связывания компьютеров через телефонную сеть),

• устройство чтения с лазерных дисков

и другие специальные приборы.

Для подключения внешних устройств в ЭВМ имеются каналы.

Канал - аппаратура и программное обеспечение (про­граммы), занимающиеся передачей сигналов между ЭВМ и внешним устройством.

Во внешнем устройстве есть контроллер.

Контроллер - аппаратура и программное обеспечение, которое обрабатывает сигналы ЭВМ и подготавливает данные для устройства. Контроллер учитывает особенности работы своего внешнего устройства.

Внешние устройства работают намного медленнее процессора. Для того, чтобы процессор не простаивал во время работы внешнего устройства, организуется парал­лельная работа процессора и внешнего устройства.