1. Структура и принцип функционирования эвм

Т ипичная ЭВМ состоит из процессора, памяти и устройств ввода-вывода. Со времени появления в 40-х годах первых электронных цифровых числительных машин технология производства каждой из этих трех подсистем была значительно усовершенствована. За последнее десятилетие благодаря развитию интегральной технологии существенно улучшились характеристики процессоров и памяти. Кроме того, была снижена их стоимость.

И в настоящее время почти во всех вычислительных машинах для хранения данных (чисел, текстов) и команд служит одна и та же память. Это позволяет повысить эффективность использования достаточно дорогостоящей памяти ЭВМ, так как среди решаемых ею задач встречаются задачи с достаточно сложной обработкой (много команд) небольшого числа исходных данных.

«Сердцем» ЭВМ является процессор, в состав которого входят:

-устройство управления выборкой команд из памяти и их выполнением;

-арифметико-логическое устройство, производящее операции над данными;

-регистры, осуществляющие временное хранение данных и состояний процессора;

-схемы для управления и связи с подсистемами памяти и ввода-вывода.

Устройства ввода обеспечивают считывание информации (исходных данных и программы решения задачи) с определенных носителей информации (клавиатур, перфолент, магнитных лент или дисков, датчиков состояний управляемых объектов и т. п.) и ее представление в форме электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ (процессором и памятью).

Устройства вывода представляют результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия (индикаторы, печатающие устройства, графопостроители, экран дисплея и т. п.). При необходимости они обеспечивают запоминание результатов на носителях, с которых эти результаты могут быть снова введены в ЭВМ для дальнейшей обработки (перфоленты, магнитная лента, магнитный диск и т. п.), или передачу результатов на исполнительные органы управляемого объекта (например, робота).

П амять ЭВМ включает устройство, обеспечивающее хранение команд и данных. Это устройство состоит из блоков одинакового размера — ячеек памяти, предназначенных для хранения одного слова информации. В свою очередь, ячейка памяти состоит из элементов памяти, состояние каждого из которых соответствует одной двоичной цифре (0 или 1). Совокупность нулей и единиц, хранящихся в элементах одной ячейки, представляет собой содержимое этой ячейки памяти.

2. Назначение и структура одноадресной эвм

Вычислительные машины существенно различаются по возможностям, размерам и стоимости. Некоторые машины могут выполнять очень ограниченное число простых операций, в то время как другие — сотни различных операций (команд). Теоретически для решения конкретной задачи можно использовать любую ЭВМ. Малая будет решать задачу путем выполнения большого числа очень простых команд, в связи с чем может потребоваться большой интервал времени для получения решения. Большая ЭВМ, способная выполнять множество операций, решит ту же задачу значительно быстрее.

Н иже приведена упрощенная структура базовой ЭВМ. Это одноадресная машина, работающая с 16-разрядными словами. В ней реализованы два вида адресации операндов: прямая и косвенная. Рассмотрим составные части базовой ЭВМ, не касаясь пока устройств ввода-вывода (УВВ) и пульта управления (ПУ).

Память. Состоит память из 2048 ячеек по 16 бит с адресами 0, 1, ..., 2046, 2047. Одну ячейку (или слово) можно использовать для хранения одного двоичного числа или одной команды программы, закодированной в двоичном коде. Пользователь должен сам определить, какая область памяти будет использоваться для данных, и какая — для программы. При этом надо учитывать, что восемь ячеек памяти с адресами 008, ..., 00F несколько отличаются от остальных. Эти ячейки называются индексными и их лучше использовать в циклических программах.

Команды исходной программы обычно размещаются пользователем в соседних ячейках памяти. Машина считывает одну команду из памяти и выполняет указанную в ней операцию. Затем она считывает следующую команду из последующей ячейки и выполняет следующую операцию и т. д.

Процессор. В состав процессора входят:

-шесть регистров (16-разрядные регистр команд, аккумулятор и регистр данных, 11-разрядные счетчик команд и регистр адреса, 1-разрядный регистр переноса);

-арифметико-логическое устройство, выполняющее операции инвертирования любого операнда (или двух операндов), сложения двух 16-разрядных операндов (или их инвертированных значений), логического умножения двух 16-разрядных операндов, добавления к результату единицы и участвующее в организации циклических сдвигов содержимого аккумулятора и регистра переноса;

-микропрограммное устройство управления, хранящее в своей памяти микропрограммы выполнения 28 команд, четырех пультовых операций, реакции на сигналы прерывания выполняемой программы от устройств ввода-вывода и ряд других микропрограмм.

Рассмотрим подробнее назначение всех регистров процессора и АЛУ базовой ЭВМ.

Счетчик команд (СК). Он служит для организации обращения к ячейкам памяти, в которых хранится программа. В конце каждого цикла исполнения команды счетчик указывает адрес ячейки памяти, содержащей следующую команду программы. В базовой ЭВМ используется 11-разрядный счетчик команд, который может формировать адреса любого из 2048 слов памяти.

Регистр команд (РК). Этот 16-разрядный регистр используется для хранения команды, непосредственно выполняемой машиной. Код операции команды пересылается из РК в устройство управления ЭВМ и декодируется. После этого происходят действия по реализации команды: считывание операнда и (или) выполнение операции, предписываемой командой,

Регистр адреса (РА). Он содержит значение исполнительного адреса ячейки памяти и состоит из 11 разрядов для адресации к 2048 ячейкам памяти. Если ЭВМ осуществляет выборку команды, то в РА пересылается содержимое счетчика команды СК для указания адреса ячейки, где хранится команда. Если ЭВМ производит выборку данных, то адрес может поступить из регистра команд.

Регистр данных (РД). Используется он для временного хранения 16-разрядных слов при обмене информацией между памятью и процессором. При считывании команды, числа или символа из памяти в процессор это слово сначала попадает в регистр данных, а потом пересылается либо в регистр команд (команды), либо в другие регистры процессора. При пересылке данных из процессора в память они сначала помещаются в РД и лишь затем записываются в нужную ячейку памяти.

Аккумулятор (А). Регистр А является одним из главных элементов процессора. Машина может выполнять арифметическую или логическую операцию только над двумя операндами одновременно. Обычно первый операнд извлекается из памяти в регистр данных, в то время как второй находится в аккумуляторе. Операция, задаваемая командой, выполняется над содержимым РД и А, и результат операции помещается в аккумулятор.

Машина может проверить результат в аккумуляторе. В зависимости от результата проверки она может принимать различные решения. Здесь используется 16-разрядный аккумулятор. Всякий раз, когда при операции двоичного сложения возникает переполнение в старшем разряде, перенос теряется. Однако его можно записать в одноразрядный регистр переноса.

Регистр переноса (С). Это одноразрядный регистр, выступающий в качестве продолжения аккумулятора и заполняющийся при его переполнении. Этот регистр также используется для организации циклических сдвигов. Состояние регистра переноса может проверяться для принятия решений.

Арифметико-логическое устройство. АЛУ базовой ЭВМ позволяет выполнять такие арифметические операции, как сложение и вычитание с учетом переноса (содержимого регистра С), полученного в результате осуществления предыдущей операции. Кроме того, оно способно выполнять операции логического умножения (операцию И), инвертирования, циклического сдвига и наращивания аккумулятора на 1.