К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки - Организация ЭВМ - 5-е издание (2003), страница 7

В целом, функционирование компьютера можно описать следующим образом. + Компьютер с помощью блока ввода принимает информацию в виде программ и данных и записывает ее в память. + Хранящаяся в памяти информация под управлением программы пересылается в арифметико-логическое устройство для дальнейшей обработки. + Данные, полученные в результате обработки информации, направляются на устройства вывода. + За все действия, производимые внутри машины, отвечает блок управления. 1.3.

Основные концепции функционирования Как было сказано в разделе 1.2, действиями компьютера управляют инструкции. Для выполнения конкретной задачи в память записывается соответствующая программа, состоящая из множества команд. Команды по очереди пересылаются из памяти в процессор, который их выполняет. Данные, используемые в качестве операндов команд, также хранятся в памяти. Вот пример типичной команды: АИ 1.ОСА,ВО Эта команда складывает операнд, хранящийся в памяти по адресу 1.0СА, с операндом, хранящимся в регистре КО процессора, и помещает результат в этот же регистр. Исходное содержимое памяти по адресу 1.ОСА не меняется, а содержимое регистра ВО перезаписывается, Данная команда выполняется в несколько этапов. Сначала она пересылается из памяти в процессор.

Затем операнд команды считывается из памяти по адресу БОСА и складывается с содержимым регистра тСО, после чего результирующая сумма записывается в регистр КО. В описанной команде АИ объединяются две операции: доступ к памяти и операция АДУ. Во многих современных компьютерах эти два типа операций выполняются с помощью отдельных команд.

Такое разделение основывается на соображениях производительности, о которых мы поговорим в главе 8. Приведенная выше команда может быть реализована и в виде двух команд: 1.сад 1.0СА,К1 АсЫ В1,ВО Первая из этих команд копирует содержимое памяти по адресу ?.ОСА в регистр процессора К1, а вторая команда складывает содержимое регистров К1 и КО и помещает сумму в регистр КО. Обратите внимание, что в результате выполнения двух команд исходное содержимое обоих регистров уничтожается, а содержимое памяти по адресу 1.ОСА сохраняется. Пересылка данных между памятью н процессором начинается с отправки в устройство памяти адреса слова, к которому требуется получить доступ, и выдачи 1.3.

Основные концепции функционирования 31 соответствующих управляющих сигналов. Затем данные пересылаются в память или из памяти. На рис. 1.2 показано, как соединяются между собой память и процессор. Кроме того, рисунок иллюстрирует несколько важных особенностей функционирования процессора, о которых мы с вами еще не говорили.

На нем не показана реальная схема соединений этих компонентов, поскольку пока мы обсуждаем только их функциональные характеристики. Более детально соединение компонентов описывается в главе 7 при рассмотрении конструкции процессора. Кроме АЛУ и управляющих схем процессор содержит множество регистров, предназначенных для разных целей. В регистре команды (?пзггцсс?оп Кея?згег, 1К) содержится код выполняемой в данный момент команды. Ее результат доступен управляющим схемам, которые генерируют сигналы для управления различными элементами, участвующими в выполнении команды. Еще один специализированный регистр, называемый счетчиком команд (Ргоягшп Сошьет, РС), служит для контроля за ходом выполнения программы, В нем содержится адрес следующей команды, подлежащей выборке и выполнению. Пока выполняется очередная команда, содержимое регистра РС обновляется — в него записывается адрес следующей команды.

Говорят, что регистр РС указывает на команду, которая должна быть выбрана из памяти. Кроме регистров 1К и РС на рис. 1.2 показано п регистров обиуго назначения, от Кс до В ь Для чего они нужны, объясняется в главе 2. Наконец, еще два регистра обеспечивают взаимодействие с памятью. Это регистр адреса (Мешогу А<Ыгезз Кей?згег, МАК) и регистр данных (Мешогу Вага Кей?з1ег, М1Ж).

В регистре МАК содержится адрес, по которому производится обращение к памяти, а в регистре МВК вЂ” данные, которые должны быть записаны в память или прочитаны из таковой по этому адресу. Рассмотрим типичный процесс выполнения программы компьютером. Программа располагается в памяти, куда обычно попадает через входное устройство. Ее выполнение начинается с записи в регистр РС адреса первой команды. Содержимое этого регистра пересылается в регистр МАК, а в память направляется управляющий сигнал Кеаг?. Когда истекает время, необходимое для доступа к памяти, адресуемое слово (в данном случае — первая команда программы) считывается из памяти и загружается в регистр МВК. Затем содержимое регистра М1Ж пересылается в регистр 1К.

Команда готова к декодированию и выполнению. Если команда требует, чтобы АЛУ выполнило определенную операцию, для нее необходимо получить операнды. Операнд, располагающийся в памяти (он может находиться и в регистре общего назначения), нужно сначала из таковой извлечь, переслав его адрес в регистр МАК и ииициализировав цикл Кеад. После пересылки из памяти в регистр МВК операнд будет направлен в АЛУ.

Аналогичным образом туда же будут переданы и остальные необходимые команде операнды, после чего АЛУ сможет выполнить требуемую операцию. Если результат должен быть сохранен в памяти, он будет записан в регистр МВК. Затем адрес, по которому его нужно записать в память, будет помещен в регистр МАК, после чего будет инициирован цикл Юг?1е. В какой-то момент в ходе выполнения текущей инструкции содержимое регистра РС увеличивается, и он начинает указывать на следующую подлежащую выполнению инструкцию. Другими словами, как только завершится выполнение текущей инструкции, можно будет приступать к выборке следующей.

32 Глава 1. Базовая структура компьютеров Компьютер не только пересылает данные между памятью и процессором, но и принимает их от входных устройств, а также отсылает выходным устройствам. Поэтому среди машинных команд имеются и команды для выполнения операций ввода-вывода. Если возникает необходимость срочно обслужить некоторое устройство (например, когда устройство мониторинга в автоматизированном промышленном процессе обнаружит опасную ситуацию), нормальное выполнение программы может быть прервано.

Для того чтобы немедленно отреагировать на эту ситуацию, компьютер должен прервать выполнение текущей программы. С этой целью устройство генерирует сигнал прерывания. Прерывание (1псеггцрг) — это запрос, поступаюший от устройства ввода-вывода, с требованием предоставить ему процессорное время. Для обслуживания этого устройства процессор выполняет соответствующую программу обработки прерывания. А поскольку ее выполнение может изменить внутреннее состояние процессора, перед обслуживанием прерывания нужно сохранить его состояние в памяти. Обычно в ходе этой операции сохраняется содержимое регистра РС, регистров общего назначения и некоторая управляющая информация. По завершении работы программы обработки прерывания состояние процессора восстанавливается и прерванная программа продолжает свою работу.

Процессор со всеми его элементами (рис. 1.2) обычно реализуется в виде одной микросхемы, на которой располагается как минимум одно устройство кэш-памяти. Такие чипы называются у'?.Б? (Ъ'151 — аббревиатура от тгегу 1.агяе Зса?е ?птеягас?оп, что переводится как очень крупномасштабная интеграция). я в Процессор Рис. 1.2. Соединения между процессором и памятью 1.4. Структура шины ЗЗ 1.4. Структура шины До сих пор речь шла о функциях отдельных частей компьютера. Однако для того чтобы составить действутощую систему, эти части должны быть соединены между собой определенным образом. Способов их соединения существует очень много, но мы рассмотрим лишь простейшие и самые распространенные из них.

Компьютер сможет работать с достаточной скоростью лишь при условии, что будет организован таким образом, чтобы полное слово данных обрабатывалось им за указанное время. Когда слово данных пересылается между устройствами, параллельно перемещаются и все его биты. Каждый бит пересылается по своему проводу (линии), так что для пересылки слова требуется несколько параллельных линий. Группа линий, образующая соединение между несколькими устройствами, называется шиной (Ьцз). Наряду с линиями, по которым пересылаются данные, шина содержит линии для передачи адреса и управляющих сигналов. Для соединения нескольких функциональных устройств компьютера проще всего использовать общую шину (з1пй)е Ъцз), как показано на рис.

1.3. К этой шине подсоединяются все устройства компьютера. Поскольку за один раз по шине может пересылаться только одно слово данных, в каждый конкретный момент шину могут использовать только два устройства. Для организации процесса параллельной обработки нескольких запросов используются линии управления шиной. Главным достоинством архитектуры с общей шиной является ее низкая стоимость и гибкость в отношении подключения периферийных устройств.

При наличии в системе нескольких шин возможно одновременное выполнение нескольких операций пересылки данных, благодаря чему такая система работает быстрее, но и стоимость ее выше. Рис. 1.3. Архитектура системы с общей шиной Подсоединенные к шине устройства могут заметно отличаться друг от друга по скорости функционирования. Некоторые электромеханические устройства, в том числе клавиатуры и принтеры, работают относительно медленно. Значительно выше скорость работы, скажем, магнитных и оптических дисков.