1.2 Функциональная организация вм и системы (Архитектура системы)

Тип машинных элементов информации , способ представления данных, номенклатура операций, форма команд и способы адресации информации – весь этот комплекс факторов, определяющих функциональную организацию (архитектуру ) ВМ и систем, крайне существенно влияет на эффективность ВМ – ее стоимость и производительность. Выбор рационального способа функциональной организации ВМ – чрезвычайно сложная, многопараметрическая задача, алгоритм решения которой неизвестен. Проектирование ВМ и систем в аспекте функциональной организации – своеобразное искусство, опирающееся на знание способов построения ВМ, и понимание степени влияния отдельных решений на эффективность системы.

1.2.1 Устройство управления (уу). Принцип программного управления

Обработка информации в ЭВМ организуется на основе принципа программного управления. Управление работой ВМ производится посредством управляющих слов, называемых командами.

УУ организует выполнение ЭВМ вычислений, начиная с момента ввода в машину программы и кончая вычислениями и выдачей результата.

Выполнение каждой команды, входящей в состав программы, требует, чтобы УУ:

1. получало из ЗУ команду, выполняемую в настоящий момент;

2. определяло адрес ячейки ЗУ, хранящей следующую команду;

3. организовывало выполнение текущей команды;

4. вырабатывало управляющие сигналы, определяющие время выполнения каждого шага текущей команды.

Код текущей команды передается в УУ из ячейки ЗУ имеющей адрес, найденный в процессе выполнения предыдущей команды. УУ вырабатывает сигнал на выходной шине, имеющей номер соответствующий коду операции, содержащейсяв команде. Тем самым, все устройства ЭВМ подготавливаются к выполнению команды.

Команда предписывает некоторую операцию из числа операций, реализуемых ЭВМ, и указывает операнды, участвующие в операции. Операция задается кодом, соответствующим наименованию операции, и операнды – адресами, определяющими машинные наименования операндов. Алгоритм решения задачи представляется в виде совокупности команд и называется программой.

Организация выполнения текущей команды сводится к подаче УУ ЭВМ сигналов на управляющие шины АЛУ, ОЗУ, УВВ в соответствии с осуществляемым тактом выполняемой команды. Так осуществляется чтение в ОЗУ чисел,участвующих в выполнении команды, передача их в АЛУ, работа последнего, выдача результата и запись его в ОЗУ или хранение результата в регистрах АЛУ. В случае других команд УУ управляет вводом в ЗУ программы вычислений и исходных данных или выдачей результатов во внешнее ЗУ и печатью результатов.

Список операций, реализуемых ВМ, определяется на основе алгоритмов, для выполнения которых предназначается ВМ, и зависит от способа структурной организации ВМ, в частности от состава и порядка взаимодействия устройств, средствами которых реализуется все множество операций. Множество операций разделяются на группы:

1. основные,

2. посылочные,

3. управления,

4. ввода-вывода,

5. системные.

Основные операции реализуются процессором и состоят в преобразовании информации, представляющей числа, логические значения и строки символов. В группу основных операций включаются операции двоичной арифметики, логические операции и операции над строками символов.

Посылочные операции состоят в передаче слов информации между процессором и оперативной памятью (ОП).Операции данной группы обеспечивают передачу слов из ОП в процессор – загрузку слов в процессор – и передачу слов из процессора в память – запись слов.

Операции управленияслужат для управления порядком следования команд. Обычно команды выполняются в естественном порядке – в порядке их следования в программе. Операции управления обеспечивают возможность перехода к выполнению команды, размещаемой в любом месте программы. Переходы могут выполняться безусловно, либо в зависимости от условий, определяемых текущими значениями признаков, которые формируются процессором путем анализа результата выполнения предыдущих операций (отрицательные и нулевые результаты, переполнение, потеря значимости и т.д.).

Операции ввода-вывода служат для передачи информации между внешними устройствами и ОП. Операции ввода-вывода обеспечивают чтение информации с устройств ввода, запись информации на устройства вывода и обмен информацией между ОП и внешним ОЗУ.

Системные операции используются для организации мультипрограммной работы ВМ или работы ВМ в составе системы совместно с другими ВМ. Системные операции обеспечивают переключение средств защиты памяти и обмен управляющей информацией между ВМ или процессорами ВС.

Операции выделяются посредством кодов, устанавливающих машинные номера операций. Код операции указывается в команде. Для кодирования операций используются двоичные коды минимальной длины.

Выполнение процессором программы решения задачи представляет собой последовательность операций, осуществляемых в заданном программой порядке. К таким операциям относятся арифметические и логические операции, операции связанные с анализом получающихся результатов, с организацией и управлением процессом вычислений. Обычно каждой такой операции соответствует команда программы.

Командапредставляет собой код определяющий операцию ВМ и данные, участвующие в операции.

В свою очередь, операция (выполнение команды) может быть разделена на более мелкие этапы (микрооперации), во время которых исполняются определенные элементарные действия. Конкретный состав микроопераций и последовательность их выполнения определяются системой команд, логической структурой и особенностями данной ЭВМ . Для разных ЭВМ понятия «операция» и «микрооперация» могут иметь различное содержание. Последовательность микроопераций, реализующих данную операцию (команду) образует микропрограмму операции. Для характеристики временных соотношений между различными этапами операций используется понятие машинный такт. Он определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций процессора. Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения программы в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрооперация.