Вопросы и задания

Что такое поколения ЭВМ и по каким признакам они различаются?
Перечислите все функциональные узлы ЭВМ и объясните назначение каждого.
Дайте понятие адреса, адресного пространства, линейного адреса, разрядности шины адреса.
Что такое контроллер, интерфейс, системный интерфейс?

Лекция 3. Многоуровневая компьютерная организация

Организация взаимодействия между всеми элементами компьютера является чрезвычайно сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием – декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей. Декомпозиция состоит в четком определении функций каждого модуля, а также порядка их взаимодействия. При декомпозиции часто используют многоуровневый подход.

Компьютер, как и любая сложная система, обладает многоуровневой организацией при которой абстракции более высокого уровня не только надстраиваются над абстракциями более низкого уровня, но и органично включают их в свой состав. Многоуровневая компьютерная организация иногда называется архитектурой компьютера.

Архитектура компьютера

Применительно к вычислительным системам в целом термин «архитектура» можно интерпретировать как распределение функций, реализуемых системой, по ее уровням и определение интерфейсов между этими уровнями.Очевидно, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую, иерархическую организацию.

Взаимодействие между различными уровнями осуществляется посредством интерфейсов. Например, система в целом взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки высокого уровня, системные программы и т.д. Большинство современных вычислительных систем состоят из трех и более уровней.

На самом нижнем уровне (нулевом) – цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями или переключателями. Эти переключатели могут находиться в одном из двух устойчивых состояний: переключатель включен или выключен, конденсатор заряжен или разряжен, магнитный домен намагничен или нет, транзистор находится в проводящем состоянии или непроводящем и т.п. Одно из таких физических состояний создает высокий уровень выходного напряжения (например, 4 В), а другое – низкий (например, 0 В). В компьютере эти электрические напряжения принимаются соответственно за 1 (логическая) и 0 (логический). Хотя возможно и обратное кодирование.

Следующий уровень – микроархитектурный уровень. На этом уровне можно анализировать совокупности логических схем, например АЛУ, оперативную память, регистры. Регистры вместе с АЛУ формируюттракт данных, обеспечивающий тот или иной алгоритм выполнения арифметической или логической операции. Иногда, работа тракта данных регулируется особой программой –микропрограммой. Сейчас чаще всего тракт данных контролируется аппаратным обеспечением.

Второй уровень называется уровнем архитектуры системы команд. В процессе работы МП обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле ОП, а также во внешних портах ЭВМ. Часть данных он интерпретирует как непосредственно данные, часть как адресные данные, а часть как команды.Совокупность всех возможных команд образует систему команд процессора. Именно система команд (расширенная или сокращенная) разделяет процессоры наRISC,CISCили векторные, суперскалярные и т.д. Машинная команда состоит из двух частей: операционной и адресной. Операционная часть команды – это группа разрядов в команде, предназначенная для предоставления кода операции машины (КОП). Адресная часть команды – это группа разрядов, в которых записываются коды адреса ячеек памяти машины. Часто эти адреса называются адресами операндов, т.е. чисел, участвующих в операции. По количеству адресов, записываемых в команде, команды делятся на безадресные, одно -, двух- и трехадресные. Типовая структура трехадресной команды:

КОП

Адрес 1-го операнда

Адрес 2-го операнда

Адрес результата

Типовая структура двухадресной команды:

КОП

Адрес 1-го операнда

Адрес 2-го операнда

В этом случае, результат операции записывается на место 1-го операнда.

Типовая структура одноадресной команды:

КОП

Адрес операнда, результата или перехода

Типовая структура безадресной команды:

КОП

Расширение кода операции

Современные ЭВМ выполняют несколько сотен различных команд, структура команд, их сложность и длина определяют архитектуру процессора. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

операции пересылки информации внутри ЭВМ;
арифметические операции над информацией;
логические операции над информацией;
операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;
операции передачи управления;
обслуживающие и вспомогательные операции.

Следующий уровень – уровень ОСобычно гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд. Далее идут высокоуровневые блоки, которые уже предназначены для прикладных программистов, первые три для системных программистов. На рисунке 3.1 показан пример такого подхода.

Язык высокого уровня

ровень 5