1 семестр_Лекции / 3. Основы работы ЭВМ
.docЛекция 3. Основы работы ЭВМ
Учебные вопросы:
Принципы программного управления
Каноническая ЭВМ
Порядок выполнения команд в ЭВМ
1. Принципы программного управления
В основе архитектуры современных вычислительных систем лежат базовые принципы, предложенные фон-Нейманом для построения «универсального вычислителя». Они получили название «принципы фон-Неймана» или «принципы программного управления».
Информация в ЭВМ кодируется в двоичной форме и разделяется на элементы, называемые словами.
Разнотипные слова информации (команды и данные) хранятся в одной и той же памяти и различаются по способу использования, но не кодирования.
Слова размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек, называемых адресами слов.
Алгоритм вычислений представляется в виде последовательности управляющих слов, называемых командами. Команда определяет наименование операции и слова информации (данные), участвующие в операции. Алгоритм, представленный в терминах машинных команд, называется программой.
Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.
В ходе вычислений команды и данные, могут подвергаться преобразованиям.
2. Каноническая ЭВМ
Для того, чтобы «универсальный вычислитель» мог работать в соответствии с указанными принципами, он должен содержать в своем составе следующие компоненты.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными (операндами) и формирования исполнительных адресов операндов.
Устройство управления (УУ) предназначено для организации автоматического выполнения программы путем координации работы всех устройств. Устройство управления вырабатывает сигналы управления, посылаемые в определенные моменты времени в другие устройства.1
Запоминающее устройства (ЗУ). Его назначение – хранение программ и данных. Данные условно можно разделить на исходные, промежуточные и результирующие.
Устройство ввода (УВв) предназначено для занесения в ЗУ программ и исходных данных.
Устройство вывода (УВыв) служит для извлечения из ЗУ результатов вычислений.
Объединение перечисленных устройств линиями связи (информационными и управляющими) дает схему так называемой «канонической ЭВМ» (рис.1).
Рис.1. Структура канонической ЭВМ
3. Порядок выполнения команд в ЭВМ
Любая команда ЭВМ содержит код операции (КОп) – какое действие необходимо выполнить, и операнды – данные, над которыми это действие будет выполнено. Поскольку, исходя из принципов программного управления, данные хранятся в одной памяти с командами, то вместо самих операндов в структуре команды указываются их адреса:
КОп А1 А2 … Аn .
Системы команды ЭВМ могут различаться по количеству операндов, точнее – их адресов. Например, трехадресные, двухадресные, одноадресные. Возможны безадресные команды.
Типовые структуры команд различной адресности:
а) трехадресная команда: КОп А1 А2 А3 ;
б) двухадресная команда: КОп А1 А2 ;
в) одноадресная команда: КОп А1 .
Для понимания порядка выполнения команд в ЭВМ имеет смысл более подробно рассмотреть состав некоторых устройств канонической ЭВМ.
Арифметико-логическое устройство, устройство управления и запоминающее устройство принято относить к центральным устройствам ЭВМ, а устройство ввода и устройство вывода – к внешним (периферийным) устройствам. Условимся считать такое разделение справедливым в рамках рассмотрения канонической ЭВМ. В реальных машинах названным устройствам соответствуют довольно многочисленные образования. Например, запоминающее устройство представляется иерархической системой устройств. Из них некоторые (оперативную память) относят к центральным устройствам, а другие (накопители) – к внешним.
Укрупненный состав центральных устройств ЭВМ и связи между ними при осуществлении информационного взаимодействия показаны на рис.2.
Рис.2. Укрупненная схема центральных устройств ЭВМ
Устройство управления.
Для приема и хранения очередной выполняемой ЭВМ команды в состав УУ включен регистр команд (РК). Таким образом, РК предназначен для хранения выполняемой команды.
Функция формирования адреса (места расположения в ОП) следующей команды возлагается на счётчик адреса команд (СчАК).
Дешифратор кода операции УУ (ДшО) обеспечивает расшифровку кода операции (КОП), указанного в команде, размещаемой в РК.
Генератор сигналов управления УУ (ГСУ) служит для выработки последовательности сигналов управления, соответствующих коду операции (КОП).
Оперативная память.
Оперативная память обычно включает в себя: накопитель, регистр адреса (РА), регистр числа (РЧ) и местное устройство управления (МУУ), которое на рис.2 не показано.
Накопитель состоит из ячеек для хранения информации. Для записи в ОП данного, адрес ячейки, в которую его надо поместить, заносится в регистр адреса (РА) ОП, а сама единица данных - в регистр числа (РЧ) ОП. По сигналу "запись" местное устройство управления ОП вырабатывает последовательность управляющих сигналов, с помощью которых данное из РЧ переписывается в ячейку накопителя ОП, адрес которой указан в РА. По сигналу "чтение", необходимо в РА послать адрес ячейки, где хранится данное, а в МУУ ОП - сигнал "чтение". МУУ ОП вырабатывает сигналы, под управлением которых данное из ячейки накопителя будет считано в регистр числа (РЧ).
Таким образом, РЧ предназначен для временного хранения информации перед записью в ячейку накопителя или после считывания из нее. Количество разрядов в РЧ определяется разрядностью накопителя.
РА предназначен для временного хранения адреса ячейки накопителя, к которой производится обращение для записи или считывания информации. Разрядность РА должна быть достаточной для задания адресов всех ячеек накопителя.
Арифметико-логическое устройство.
Для выполнения всех арифметических операций в составе АЛУ имеется сумматор (См). Для размещения операндов, над которыми необходимо произвести операцию, в АЛУ имеется два входных регистра – Р1 и Р2. Регистр Р3 предназначен для временного хранения результата выполненной операции. Местное устройство управления (МУУ) формирует сигналы управления регистрами и сумматором в процессе выполнения операции в АЛУ.
Рассмотрим порядок обработки данных в ЭВМ по командам. Различные команды требуют для своего выполнения различные интервалы времени. Интервал времени, в течение которого выполняется одна типовая команда, называется рабочим циклом. Типовой считают команду, выполняющую арифметическую операцию над двумя операндами. Цикл, выполняющий такую команду, называется типовым рабочим циклом ЭВМ.
Рабочий цикл делят на шаги. Шаг - это время, в течение которого ЭВМ выполнит вполне завершенные действия.
Рабочий цикл ЭВМ состоит из следующих пяти шагов:
1. Чтение команды.
2. Чтение первого операнда.
3. Чтение второго операнда.
4. Выполнение операции.
5. Запись результата.
Исходное расположение информации в элементах ЭВМ перед выполнением типовой команды следующее:
- программа и исходные данные размещены в ОП;
- адрес, по которому в ОП размещена первая команда программы находится в СчАК (счетчике адресов команд).
Типовой цикл выполнения команды следующий:
Шаг 1. Чтение команды. Код адреса команды из СчАК поступает в РА ОП. Генератор сигналов управления (ГСУ) посылает в ОП управляющие сигналы пуска в режиме чтения. В накопителе ОП выбирается ячейка с указанным в РА адресом и из нее считывается информация в регистр числа (РЧ) ОП, т.е. первая команда программы. Команда из РЧ по сигналу из ГСУ пересылается в регистр команд (РК), где хранится до конца цикла. В СчАК добавляется единица для подготовки адреса ячейки ОП с очередной командой программы.
Шаг 2. Чтение первого операнда. Адрес первого операнда (А1) из РК УУ пересылается в РА ОП. ОП запускается в режим чтения. Считанный в РЧ ОП операнд пересылается в Р1 АЛУ.
Шаг 3. Чтение второго операнда. Адрес второго операнда (А2) из РК УУ пересылается в РА ОП. ОП запускается в режим чтения. Считанный в РЧ ОП операнд пересылается в Р2 АЛУ.
Шаг 4. Выполнение операции в АЛУ. По расшифрованному с помощью дешифратора операции УУ (ДшО) коду операции (КОП), генератором сигналов управления (ГСУ) УУ вырабатывается сигнал на выполнение арифметической операции и запускается АЛУ. В сумматоре АЛУ производится арифметическая операция над содержимым Р1 и Р2. Результаты помещается в РЗ АЛУ.
Шаг 5. Запись результата. Результат из РЗ пересылается в РЧ ОП. На РА ОП подается А1 (т.к. при выполнении операции над двумя операндами результат помещается на место одного из операндов). ОП запускается в режим записи и по А1 записывается результат.
Далее ЭВМ автоматически переходит на выполнение первого шага цикла и начинает выполнение следующей команды программы.
1 В современных ЭВМ АЛУ и УУ конструктивно объединены. Они образуют основное устройство компьютера – процессор.