Попов И.И., Матвеев А.А., Максимов Н.В. Архитектура электронно-вычислительных машин и систем (2004) (1186255), страница 20
Текст из файла (страница 20)
7. АЛУ с непосредственной связьюОрганизация оперативной памятиКоманды, исполняемые ЭВМ при выполнении программы, равнокак и числовые и символьные операнды, хранятся в памяти компьютера.Память состоит из многих миллионов ячеек, в каждой из которых содержится один бит информации, имеющий значение 0 или 1. Посколькуодин бит способен представить очень маленькое количествоинформации, биты редко обрабатываются поодиночке. Как правило, ихобрабатывают группами фиксированного размера.
Для этого памятьорганизуется таким образом, что группы по п бит могут записываться исчитываться за одну базовую операцию. Группа из п бит называетсясловом информации, а значение п — длиной слова. Схематическипамять компьютера можно представить в виде набора слов.115Длина слова современных компьютеров составляет от 16 до 64бит. Если длина слова компьютера равна 32 битам, в одном слове можетхраниться 32-разрядное число в дополнительном коде или четыресимвола ASCII, занимающих по 8 бит.Восемь идущих подряд битов являются байтом.
Дляпредставления машинной команды требуется одно или несколько слов.Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельныхэлементов информации, будь то слова или байты, необходимы именаили адреса, определяющие их расположение в памяти. В качествеадресов традиционно используются числа из диапазона от 0 до 2k-1 созначением k, достаточным для адресации всей памяти компьютера.
Все2k адресов составляют адресное пространство компьютера.Следовательно, память состоит из 2k адресуемых элементов. Например,использование 24-разрядных (как в процессоре 80286) адресов позволяетадресовать 224 (16777216) элементов памяти. Обычно это количествоадресуемых элементов обозначается как 16 М (16 мега), где 1М - 220(1048576) (адресное пространство МП 8086 и 80186). 32-разряднымадресам (у процессоров 80386, 80486, Pentium и их аналогов)соответствует адресное пространство из 232, или 4 Гб, элементов, где 1Г - 230 байт.Байтовая адресацияИтак, у нас есть три основные единицы информации: бит, байт ислово. Байт всегда равен 8 битам, а длина слова обычно колеблется от 16до 64 бит. Отдельные биты, как правило, не адресуются.
Чаще всегоадреса назначаются байтам памяти. Именно так адресуется памятьбольшинства современных компьютеров, и именно этот способадресации мы будем использовать. Память, в которой каждый байтимеет отдельный адрес, называется памятью с байтовой адресацией.116Последовательные байты имеют адреса 0, 1, 2 и т. д. Таким образом, прииспользовании слов длиной 32 бита последовательные слова имеютадреса 1,4,8,..., и каждое слово состоит из 4 байт.Прямой и обратный порядок байтовСуществует два способа адресации байтов в словах:в прямом порядке (а)обратном порядке (б)Обратным порядком байтов (big-endian) называется системаадресации, при которой байты адресуются слева направо, так что самыйстарший байт слова (расположенный с левого края) имеет наименьшийадрес.Прямымпорядкомбайтов(little-endian)называетсяпротивоположная система адресации, при которой байты адресуютсясправа налево, так что наименьший адрес имеет самый младший байтслова (расположенный с правого края).
Слова «старший» и «младший»определяют вес бита, то есть степень двойки, соответствующей данномубиту, когда слово представляет число. В ПЭВМ на основе МП 80x86используется прямой порядок, а в ПЭВМ на основе МП Motorola 68000 обратный. В обеих этих системах адреса байтов 0,4, 8 и т. д.применяются в качестве адресов последовательных слов памяти воперациях чтения и записи слов.Наряду с порядком байтов в слове важно также определитьпорядок битов в байте. Наиболее естественный порядок битов длякодирования числовых данных (непосредственно соответствующий ихразрядам) - «слева направо»: b32,….,b1,b0.
Однако существуют компьютеры, для которых характерен обратный порядок битов.117Расположение слов в памятиВ случае 32-разрядных слов их естественные границырасполагаются по адресам 0,4,8 и т. д. При этом мы говорим, что словавыровнены по адресам в памяти. Если говорить в общем, словасчитаются выровненными в памяти в том случае, если адрес началакаждого слова кратен количеству байтов в нем. По практическимпричинам, связанным с манипулированием двоично-кодированнымиадресами, количество байтов в слове обычно является степенью двойки.Поэтому, если длина слова равна 16 бит (2 байтам), выровненные слованачинаются по байтовым адресам 0, 2, 4,..., а если она равна 64 бит (23т.е. 8 байтам), то выровненные слова начинаются по байтовым адресам0, 8, 16,....Не существует причины, по которой слова не могли бы начинатьсяс произвольных адресов.
Такие слова называются невыровненными. Какправило, слова выравниваются по адресам памяти, но иногда этотпринцип нарушатся.Доступ к числам, символам и символьным строкамОбычно число занимает целое слово. Поэтому, для того чтобыобратиться к нему в памяти, нужно указать адрес слова, по которомуоно, это число, хранится. Точно так же доступ к отдельно хранящемуся впамяти символу осуществляется по адресу его байта.Во многих приложениях необходимо обрабатывать строкисимволов переменной длины. Для доступа к такой строке нужно указатьадрес байта, в котором хранится ее первый символ. Последовательныесимволы строки содержатся в последовательных байтах.
Существует дваспособа определения длины строки. Первый из них заключается виспользовании специального управляющего символа, обозначающегоконец строки и являющегося ее последним символом. Второй способсостоит в использовании отдельного слова памяти или регистрапроцессора, содержащего число, которое определяет длину строки вбайтах.Операции с памятьюИ команды программ, и данные, являющиеся операндами этихкоманд, хранятся в памяти.
Для выполнения команды управляющиесхемы процессора должны инициировать пересылку содержащего ееслова или слов из памяти в процессор.Операнды и результаты также должны пересылаться междупамятью и процессором. Таким образом, для выполнения командыпрограммы необходимо произвести две операции с памятью:— Load (или Read, или Fetch), то есть загрузка (или чтение, или выборкасоответственно)— Store (или Write), то есть сохранение (или запись).118Операция загрузки пересылает в процессор копию содержимогопамяти но заданному адресу. При этом содержимое памяти остаетсянеизменным.
Для того чтобы начать операцию загрузки, процессоротсылает в память адрес и запрашивает содержимое памяти по этомуадресу. Из памяти считываются соответствующие данные ипересылаются в процессор.100101011101100110Операция сохранения пересылает элемент информации изпроцессора в память по заданному адресу, уничтожая предыдущиеданные, хранившиеся по этому адресу. Для выполнения такой операциипроцессор отсылает в память данные и адрес, по которому они должныбыть записаны.Информацию из одного слова или одного байта можно переслатьмежду процессором и памятью за одну операцию.
Процессор содержитнебольшое количество регистров, вмещающих по одному слову. Эти регистры служат либо источниками, либо приемниками данных,пересылаемых в память и из памяти. Пересылаемый байт обычнорасполагается в младшей (крайней справа) позиции в регистре.Взаимодействие с памятью происходит через:— шину чтения-записи,—119— адресную шину,— информационную шину.По шине чтения-записи сообщается тип производимой операции(считывание из памяти или запись в нее). Сигналы, подаваемые наадресную шину, определяют область памяти, из которой (в которую)ведется считывание (запись), а по информационной шине передаетсясчитанная (записанная) информация.Пример – считывание из памяти и запись в память байта с адресом7.При считывании данных из памяти некоторая внешняя (поотношению к запоминающему устройству) система (напримермикропроцессор) устанавливает на шине чтения-записи сигнал 1,сообщая таким образом, что должна производиться операциясчитывания.
Кроме того, эта внешняя система помещает на адреснуюшину значение 0000000000000111 в двоичной системе счисления (или,что то же самое, 7 — в десятичной системе счисления). Тем самымзапоминающему устройству сообщается, что требуется считать байтинформации из ячейки 7. Очевидно, что в результате операциисчитывания содержимое указанного байта, равное 10101010, появится наинформационной шине (см. рисунок).При записи на шине чтения-записи устанавливается сигнал 0 и наадресную и информационную шины помещаются адреса и120записываемые данных.
В качестве адреса запоминающее устройствополучает число 0000000000000111, или, что то же самое, 7, а в качествезаписываемых данных - число 10101010. Поскольку на шине чтениязаписи установлен сигнал 0, данные с информационной шины заносятсяв ячейку 7.121Вычислительные системыРассмотренные выше представления о составе, структуре иархитектуре ЭВМ являются простейшими и не охватывают, естественно,все множество современных вычислительных машин, систем, сетей.О сетях здесь упомянуто не случайно. В историческойперспективе, с появлением в первой половине 70-х годоввидеотерминалов, первоначально возникли структуры "терминал-хост"(локальный или удаленный).Чуть раньше и независимо развиваются глобальные сети (пакетнойкоммутации), используемые как для функций связи общего назначения,так и для коммуникаций "хост-хост", с целью (в то время) выравниванияиспользования вычислительных мощностей по часовым поясам(подобно тому, как это осуществляется в сетях энергопередачи).
Этобыли именно вычислительные сети. Структуры "терминал-хост" вносятсюда дополнительную динамику.Эта ситуация сохраняется до середины 80-х годов, когдапоявление и взрывообразное распространение ПК (как выразился одиниз тогдашних научных острословов "карлики-млекопитающие напланете вычислительных динозавров"). Появляются локальные сети,интегрирующие прежде всего информационные ресурсы (файл-сервер),редкие или дорогостоящие технические средства (принт-сервер) и т.п.Изучение трафика (потоков данных) в развивающихся сетяхпоказало смещение акцентов с распределенных вычислений на обменинформацией - доступ к удаленным базам данных, обмен сообщениямипо электронной почте и пр.
Вырисовываются, таким образом,информационные сети.Наконец, в 80-90-е годы широко распространяется технологияTCP/IP, обеспечивая рост и развитие "сети сетей" - Internet, котораяпредставляет собой глобальную информационно-вычислительную сеть.По мере развития компьютеры существенно уменьшились вразмерах, но «обросли» дополнительным оборудованием, необходимымдля их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры извычислительных машин (ВМ) сначала превратились в вычислительныесистемы (ВС), а затем в информационно-вычислительные системы(ИВС).Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанныхи взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийногооборудования и программного обеспечения, предназначенную длясбора, хранения, обработки и распределения информации.122ПараметрЦельиспользованиякомпьютераРежимработыкомпьютераИнтеграцияданныхРасположениепользователяТиппользователяТипдиалогаЭтапы развития компьютерных информационных технологий50-е годы60-е годы70-е годы80-е годыНастоящее времяНаучноТехническиеУправлениеУправление,Телекоммуникатехничесиипредоставлениеции, информакиеэкономичесэкономичеинформацииционноерасчетыкие расчетыскиеобслуживаниерасчетыОднопроПакетнаяРазделениеПерсональнаяСетеваяграммныйобработкавремениработаобработкаНизкаяСредняяВысокаяОчень высокаяСверхвысокаяМашинный залОтдельноепомещениеТерминальный залРабочий столПроизвольноемобильноеИнженерыпрограммистыРабота запультомкомпьютераПрофессиона-льныепрограмммистыОбмен перфоносителями имашинограммамиПрограмммистыПользователи собщейкомпьютернойподготовкойИнтерактивныйс жестким менюМало обученныепользователиИнтерактивный (черезклавиатуруи экран)Интерактивныйэкранный типа«вопрос - ответ»Создание ВС преследует следующие основные цели:— повышение производительности системы за счет ускоренияпроцессов обработки -данных,— повышение надежности и достоверности вычислений,— предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг ит.д.Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ являетсяналичие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельнуюобработку.Параллелизм выполнения операций существенно повышаетбыстродействие системы; он же может также значительно повысить инадежность (при отказе одного компонента системы его функции можетвзять на себя другой) и достоверность функционирования системы, еслиоперации будут дублироваться, а результаты их выполнениясравниваться.Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняетуправление вычислительным процессом, использование технических ипрограммных ресурсов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
