- •«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им.В.И.Ульянова (Ленина)» (сПбГэту)
- •Архитектура компьютера
- •Оглавление
- •Основные понятия архитектуры и организации компьютеров.
- •1.1. Состав компьютера
- •1.2. Виды (классы) компьютеров
- •1.3. Принцип программного управления и машина фон Неймана
- •1.4. Понятия архитектуры, организации и реализации компьютера
- •1.5. Многоуровневая организация компьютера
- •1.6. Понятие семантического разрыва между уровнями
- •1.7. Организация аппаратных средств вм
- •Представление и обработка данных в вм
- •Целые числа
- •Представление и обработка вещественных чисел.
- •Логические операции над битовыми наборами
- •Представление и обработка символов.
- •Представление видеоинформации и аудиоинформации.
- •Видеоинформация.
- •Аудиоинформация
- •Организация процессора и основной памяти вм
- •3.1. Типовая структура процессора и основной памяти
- •3.2. Основной цикл работы процессора
- •3.3. Организация процессора и памяти в архитекуре Intel x86.
- •3.3.1. Программно доступные регистры процессора
- •3.3.2. Организация стека в архитектуре Intel х86
- •3.3.3. Организация выполняемых программ в ms dos
- •3.3.4. Режимы адресации памяти в архитектуре Intel х86
- •1. Регистровая адресация
- •2. Непосредственная адресация
- •3. Прямая адресация
- •4. Косвенная адресация
- •7. Индексная адресация с масштабированием
- •8. Адресация по базе с индексированием и масштабированием
- •3.3.5. Краткая характеристика системы команд процессоров Intel х86
- •3.3.6 .Арифметическая обработка чисел с использованием математического сопроцессора
- •Организация прерываний в процессорах Intel x86
- •Эволюция микроархитектуры Intel x86
- •Управление выполнением команд в компьютерах.
- •Аппаратный способ формирования управляющих сигналов
- •Микропрограммный способ формирования управляющих сигналов
- •Компьютеры с сокращенным набором команд
- •Организация памяти в компьютере
- •6.1. Назначение и основные характеристики памяти
- •6.2. Основные среды хранения информации
- •6.3. Методы доступа к данным.
- •6.4. Память с произвольным доступом (ппд)
- •6.5. Блочная организация основной памяти.
- •6.6. Постоянные запоминающие устройства (пзу - rom)
- •6.7. Ассоциативные запоминающие устройства (азу)
- •6.8. Иерархическая система памяти
- •Организация кэш-памяти.
- •Прямое отображение блоков оп на кэш-память
- •Наборно-ассоциативное отображение блоков оп на Кэш-память
- •6.10. Организация виртуальной памяти
- •Организация виртуальной памяти в Intel 80386 и более старших моделях.
- •Защита памяти в процессоре Intel 80386
- •Организация работы с внешней памятью
- •7.1. Типы, виды, свойства дисковых накопителей информации.
- •7.2. Магнитные дисковые накопители.
- •7.3. Основные физические и логические параметры жмд
- •7.4. Контроллеры жестких дисков
- •Логическое хранение и кодирование информации
- •Интерфейсы жестких дисков
- •Работа накопителя
- •Внешняя память на cd и dvd дисках.
- •Принципы организации raid массивов
- •Основные принципы построения raid массивов
- •Одиночные уровни raid
- •Составные уровни raid массивов
- •Сравнительные результаты
- •Системные и локальные шины
- •9.1. Общие положения и требования к шинам
- •9.2. Основные виды, характеристики и параметры шин
- •9.3. Стандарты шин
- •Организация системы ввода-вывода в вм
- •10.1. Назначение и основные требования к системе ввода-вывода вм
- •10.2. Архитектура систем ввода-вывода
- •10.3. Способы выполнения операции передачи данных
- •Синхронная передача данных
- •Ввод-вывод по программному прерыванию
- •Ввод-вывод по аппаратному прерыванию (прямой доступ к памяти)
- •10.4. Структуры контроллеров ву для различных режимов передачи данных
- •Программные средства управления вводом-выводом (пс увв)
- •Состав пс увв
- •11.2. Основные компоненты процедуры управления ввода-вывода общего вида
- •11.3 Состав и реализация устанавливаемого драйвера символьного типа
- •Список литературы
- •Приложения
- •Регистры ммх
- •Типы данных
- •Команды ммх
- •П2. Краткое введение в программирование на языке Ассемблера
- •1. Директивы задания данных
- •2. Директивы сегментации программы
- •3. Директивы группирования.
- •4. Порядок размещения сегментов.
1.3. Принцип программного управления и машина фон Неймана
Фон Нейман впервые предложил в 40-х годах XX века концепцию хранимой программы, основные принципы которой заключаются в следующем:
-
Двоичное кодирование: вся информация (как команды, так и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1, поскольку двоичное кодирование по теории информации близко к оптимальному, а кроме того, легче реализовать элементы с двумя устойчивыми состояниями (магнитные сердечники, триггеры).
-
Программное управление: команды программы, так же как и данные, хранятся в памяти машины; хранимая программа позволяет выполнять команды в естественном порядке следования либо осуществлять произвольный переход от одной команды к другой.
-
Однородность памяти: Вид хранимой информации (команды или данные непосредственно в памяти) неразличим, а зависит от последующего использования; команды могут обрабатываться так же, как и числовые данные (модификация команд – сейчас не поощряется), либо порождать в процессе обработки другие команды (трансляция – широко применяется).
-
Адресность: в команде указываются не сами данные, а адреса их размещения в памяти.
Основные особенности первых машин, построенных по изложенным принципам и называемых сейчас машинами фон неймановского типа, состоят в следующем:
-
наличие единого вычислительного устройства, включающего один процессор, память и некоторые внешние устройства;
-
использование линейной структуры адресации памяти со словами фиксированной длины;
-
централизованный принцип управления выполнением программы по последовательному алгоритму;
-
низкий уровень машинных команд, позволяющих выполнять только элементарные операции.
Для таких машин «узким» местом», ограничивающим производительность, является память и каналы связи: как данные, так и команды должны последовательно выбираться из памяти и передаваться между устройствами. Для повышения производительности в фон неймановских машинах применяются:
- увеличение разрядности обработки данных (16 бит32 и 64 бит);
- активное использование конвейеризации при выборке и обработке команд;
- активное использование кэш-памяти (Cache – тайник, скрытый), т.е. модулей памяти, которые являются буферными между процессором и оперативной памятью.
Кроме того, наряду с Принстонской архитектурой, подразумевающей хранение команд и данных в общей памяти, распространяется Гарвардская архитектура, использующая раздельное хранение команд и данных.
1.4. Понятия архитектуры, организации и реализации компьютера
Архитектура – это множество ресурсов ВМ, доступных пользователю на логическом уровне, без детализации способов взаимодействия процессоров, устройств памяти, внешних устройств и программных средств. При изучении архитектуры рассматривают:
- состав и характеристики процессоров, включая системы команд;
- состав и характеристики устройств памяти и ВУ;
- состав программных средств разработки ПО;
- вид ОС и режимы обработки данных.
Организация – это способы распределения функций, установления связи и взаимодействия процессоров, устройств памяти и внешних устройств, используемые для реализации возможностей, заложенных в архитектуре. При изучении организации рассматривают:
- представление и форматы данных;
- уровни памяти и их взаимодействие;
- состав и форматы машинных команд;
- систему прерываний;
- способы обмена данными.
Реализация – способы технического исполнения конкретных устройств, линий или шин связи и протоколов взаимодействия между ними.
Обычно на уровнях организации и реализации происходит перераспределение функций между аппаратными и программными средствами. Это порождает семейство машин одной архитектуры, но разной производительности и стоимости.