Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем (2005) (1186253), страница 19
Текст из файла (страница 19)
2.1. Основные классы архитектур ЭВМ2.1. Базовые представления об архитектуре ЭВМПрограммыи исходные данные101РезультатыРис. 2.2. Структурная схема ЭВМ 1-го и 2-го поколения(архитектура фон Неймана), «звезда»Рис. 2.3. Структурная схема ЭВМ 3-го поколения (иерархическая)ШинаРис. 2.4. Структурная схема ПЭВМ102Глава 2. Архитектура и структура ВМ и системАрхитектура «звезда». Здесь ЦУ (рис. 2.1, а) соединено непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин).Классическая архитектура (фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит потокданных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис.
2.2). Это однопроцессорныйкомпьютер.Вычислительная машина включает пять базовых компонент исостоит из следующих типов устройств:• центральный процессор (ЦП), включающий АЛУ и УУ;• запоминающие устройства — память, в том числе оперативная(ОП) и внешние ЗУ;• устройства ввода и устройства вывода информации — внешние (периферийные) устройства (ВУ).Иерархическая архитектура (рис. 2.1, б, рис. 2.3) — ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами и пр.), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360—375);Магистральная структура (общая шина — unibas, рис. 2.1, в,рис.
2.4) — процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DEC, ПЭВМ IBMPC-совместимые).К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера: функциональные блоки здесь связаны междусобой общей шиной, называемой также системной магистралью.Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупностьпроводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройствауправления периферийными устройствами.Контроллер — устройство, которое связывает периферийноеоборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.Мы хотим обратить внимание читателя на тот факт, что все перечисленные архитектурные элементы ЭВМ базируются на следующих схемных элементах и базовых узлах (см.
гл. 1):• память обычно использует возможности и свойства триггераили его аналогов;2.2. Процессор, структура и функционирование103счетчик (регистр) адреса команд, очевидно, есть схемный узел«счетчик»;сумматор — или полный сумматор, или полусумматор;дешифратор (например, команд) тоже здесь присутствует.2.2.
Процессор, структура и функционированиеВ большинстве машин реализованы принципы фон Неймана вследующем виде:• оперативная память (ОП) организована как совокупность машинных слов (МС) фиксированной длины или разрядности (имеется в виду количество двоичных единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем появились 16-разрядные, а затем — 32- и64-разрядные машины.
В свое время существовали также45-разрядные (М-20, М-220), 35-разрядные (Минск-22,Минск-32) и др. машины;• ОП образует единое адресное пространство, адреса МС возрастают от младших к старшим;• в ОП размещаются как данные, так и программы, причем вобласти данных одно слово, как правило, соответствует одному числу, а в области программы — одной команде (машинной инструкции — минимальному и неделимому элементупрограммы);• команды выполняются в естественной последовательности (повозрастанию адресов в ОП), пока не встретится командауправления (условного/безусловного перехода, или ветвления — branch), в результате которой естественная последовательность нарушится;• ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОПдля выборки и/или записи в МС чисел или команд.Абстрактное центральное устройствоПеречислим основные понятия и рассмотрим структуру и функции абстрактного центрального устройства ЭВМ (1—2-е поколенияЭВМ) (рис.
2.5), АЛУ которого предназначено для обработки целыхчисел и битовых строк.104Глава 2. Архитектура и структура ВМ и системУстройство управления (УУ)СумматорРегистр команды (РК)Регистр команды (РК)Регистр адреса (РА1 , РА2,Регистр адреса команды (РАК, СчАК)Регистр результатаИндексные регистры (ИР1, ИР2,Регистроваяпамять)Базисные регистры (БР1 , БР2, )КомандаКОПИРБРАдресностьА1А2ПрограммыA3ГлавнаяпамятьЧисло-1ДанныеЧисло-2РазрядностьСтаршийадресРис. 2.5. Структура абстрактного центрального устройства ЭВМКоманда (instruction) — описание операции, которую необходимовыполнить. Каждая команда начинается с кода операции (КОП), содержит необходимые адреса, характеризуется форматом, которыйопределяет структуру команды, ее организацию, код, длину, методрасположения адресов.
Длина различных команд может быть какодинаковой, так и разной.Команды подразделяются на арифметические, логические, ввода/вывода, передачи данных. Каждая команда выполняется в компьютере за один либо несколько тактов.Последовательность взаимосвязанных команд именуется макрокомандой. Использование макрокоманд упрощает программирование и обеспечивает механизм вставки добавлений в программы (см.далее макроассемблер, MASM).Цикл процессора — период времени, за который осуществляетсявыполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.2.2. Процессор, структура и функционирование105Такт работы процессора — промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которыхесть тактовая частота процессора.
Эта частота является одной изосновных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов. Выполнениекороткой команды (арифметика с фиксированной точкой, логические операции), о которых речь здесь и пойдет, обычно занимаетпять тактов:• выборка команды;• расшифровка кода операции (декодирование);• генерация адреса и выборка данных из памяти;• выполнение операции;• запись результата в память.Процедура, соответствующая такту, реализуется определеннойлогической цепью (схемой) процессора, обычно именуемой микропрограммой.Регистры — устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера. Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных.
Регистрсостоит из разрядов, в которые можно быстро записывать, запоминать и считывать слово, команду, двоичное число и т. д. Обычно регистр имеет ту же разрядность, что и машинное слово. Регистр, накапливающий данные, именуют аккумулятором.Регистр, обладающий способностью перемещать содержимоесвоих разрядов, называют сдвиговым. В этих регистрах за один тактхранимое слово поразрядно сдвигается на одну позицию. Сдвиговыерегистры используются при обработке данных, кодировании и декодировании.Некоторые регистры служат счетчиками. Счетчик является устройством, которое на своих выходах выдает (в двоичной форме)сумму числа импульсов, подаваемых на его единственный вход.Максимальное число импульсов, которое счетчик может подсчитать, называется его емкостью.Регистры общего назначения (РОН) — (General PurposeRegisters) — общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти.Регистр команды (РК),(Instruction Register — IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.Регистр (РАК), счетчик (СчАК) адреса команды (ProgramCounter — PC) — регистр, содержащий адрес текущей команды.106Глава 2.
Архитектура и структура ВМ и системРегистр адреса (числа) — РА(Ч) — содержит адрес одного изоперандов выполняемой команды (регистров может быть несколько).Регистр числа (РЧ) — содержит операнд выполняемой команды,РЧ также несколько.Регистр результата (РР) — предназначается для хранения результата выполнения команды.Сумматор — регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк,представленных в прямом или обратном коде (иногда РЧ и РР включают в состав сумматора).Существуют и другие регистры, не отмеченные на рис.
2.5, например, регистр состояния — Status Register (8К).Типичным содержанием SR является информация о результатах завершения команды (ноль, переполнение, деление на ноль, перенос и пр.). УУ использует информацию из SR для исполнения условных переходов(например, «в случае переполнения перейти по адресу 4170»). Ниже(гл. 4) подробно будут рассмотрены регистры процессора 18086.Цикл выполнения команды может выглядеть следующим образом.1. В соответствии с содержимым СчАК (адрес очередной команды) УУ извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в РК.Некоторые команды УУ обрабатывает самостоятельно, без привлечения АЛУ (например, по команде «перейти по адресу 2478», величина 2478 сразу заносится в СЧАК и процессор переходит к выполнению следующей команды.Типичная команда содержит:• код операции (КОП) — характеризующий тип выполняемогодействия (сложение, вычитание и пр.
чисел; сравнение строк;передача управления, обращение к ВУ и пр.);• номера индексного (ИР) и базисного (БР) регистров (в некоторых машинах — адреса слов, ячеек ОП, в которых размещена соответствующая информация);• адреса операндов A l , A2 и т. д., участвующих в выполнениикоманды (чисел, строк, других команд программы).2. Осуществляется расшифровка (декодирование) команды.3. Адреса A l , A2 и пр. помещаются в регистры адреса.4. Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА — фактически выбираются числаили команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению кадресу, указанному в команде.2.2.
Процессор, структура и функционирование107При этом ИР используются для текущего изменения адреса,связанного с работой программы (например, при обработке массивачисел). БР используется для глобального смещения программы илиданных в ОП.5. По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ.6. Выполнение операции (арифметической, логической и пр.) ипомещение результата в PP.7. Запись результата по одному из адресов (если необходимо).8.
Увеличение содержимого СчАК на единицу (переход к следующей команде).Очевидно, что за счет увеличения числа регистров возможнораспараллеливание, перекрытие операций. Например, при считывании команды, СчАК можно автоматически увеличить на 1, подготовив выборку следующей команды. После расшифровки текущей команды РК освобождается и в него может быть помещена следующаякоманда программы. При выполнении операции возможна расшифровка следующей команды и т. д.
Все это является предпосылкойпостроения так называемых конвейерных структур (pipeline). Однаковсе это хорошо только при последовательном (естественном) порядке выполнения команд. Появление переходов (особенно по не определенному заранее условию) нарушает эту картину. Поэтому современные процессоры пытаются предсказывать переходы в программе (branch prediction).Системы команд и соответствующие классы процессоровОсновные команды ЭВМ классифицируются вкратце следующим образом (подробнее см.
далее, описание команд для 18086): пофункциям (выполняемым операциям), направлению приема-передачи информации, адресности.Классы команд1. К о м а н д ы о б р а б о т к и д а н н ы х , в том числе (01 — первый операнд, О 2 — второй).1.1. Короткие операции (один такт).1.1.1. Логические:• логическое сложение (для каждого бита О1 и О2 осуществляется операция ИЛИ);108Глава 2. Архитектура и структура ВМ и систем• логическое умножение (для каждого бита О1 и О2 осуществляется операция И);• инверсия (в О1 все единицы заменяются на нули, и наоборот);• сравнение логическое (если О1 = О2, то некий флаг или регистр устанавливается в «1», иначе в «О»);1.1.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
