Структура вычислительной машины фон Неймана
Функционирование машины Фон Неймана:
В устройстве управления есть счётчик команд (СК (Instruction Pointer, Program counter)). При помощи СК реализуется принцип командного управления. СК представляет собой регистр с внешним управлением, по каждому такту содержимое данного регистра инкрементируется.
Перед началом работы машины в счетчик команд (регистр) заносится адрес ячейки памяти, в которой хранится команда, выполняемая первой. В процессе вычислений с каждым тактом содержимое МК увеличивается на единицу, что обеспечивает последовательную адресацию ячеек памяти и выполнение программ в естественном порядке согласно принципу программного управления.
Реализация принципа перехода осуществляется за счёт занесения в счетчик команд начального адреса программы, которая выполняется в случае перехода.
Команда, извлекаемая из памяти, помещается в регистр команд (РК). После этого она исполняется.
Основная память и регистры имеют различное быстродействие, поэтому необходимы промежуточные элементы согласования между «медленной» основной памятью и «быстрой» регистровой памятью. Эти функции выполняют РАП (регистр адресной памяти) и РДП (регистр данных памяти). В РАП хранится адрес ячейки основной памяти, а в РДП заносится содержимое данных ячейки памяти.
В настоящее время между регистровой и основной памятью имеются несколько слоёв кэш памяти.
ДКОп – дешифратор кода операции.
Дешифрованный код операции преобразуется в набор управляющих сигналов, в соответствии с которыми выполняется данная операция. Данное преобразование производится в микропрограммном автомате (МПА).
На входе МПА указания, какую операцию выполнять. На выходе – совокупность управляющих сигналов, в соответствии с которыми определяется арифметико-логическая функция операционного блока (ОпБ) из АЛУ.
Указатель стека (УС) – регистр, в котором хранится адрес вершины стека или SP (stack pointer).
Стек – область основной памяти, предназначенная для временного хранения данных и команд, которая обычно располагается в области наибольших адресов (на краю основной области памяти).
В стеке хранятся локальные переменные. В случае если в программе предусмотрен вызов непосредственно из неё, то необходимо где-то запоминать локальные переменные. Также в нём хранятся данные для возврата из-под программы в основную программу. ______
Выполнение операций над исходными данными производится в операционном блоке, главной особенностью которого является отсутствие внутренней памяти, т. е. ОпБ – это комбинационная логическая схема. Данная схема изменяет свою арифметико-логическую функцию согласно сигналу направления от МПА.
Следующая цепь: одна команда из набора команд. Определяет совокупность направляющих сигналов МПА, которые перестраивают логическую схему ОПБ.
Аккумулятор хранит результат выполнения операции, может также использоваться для промежуточного хранения операндов, и для операции ввода-вывода.
Таким образом весь тракт обработки данных в АЛУ может быть представлен в следующем виде:
Регистр флагов: в нём хранятся признаки, характеризующие признаки выполнение последней арифметической или логической операции.
Наиболее распространённые признаки (флаги), которые формируются специальной схемой, контролирующей операции в ОпБ.
ZF (zero flag) – результат равен нулю
SF (sign flag)
PF – чётность результата
OF – переполнение разрядной сетки
CF – возникновение переноса и старшего разряда
IF – разрешение прерывания
TF – трассировка программы
Устройство ввода-вывода: Ключевой элемент ДДВ – дешифратор номера порта ввода вывода.
В ВМ предусматриваются средства, позволяющие прерывать выполнение программы и приходить к внеочередному обслуживанию программы ввода-вывода с последующим возвратом к прерванной основной программе.
(
Данная структура является реализацией основных принципов фон Неймона.
У
У
– устройство управления
РАП – регистр адреса памяти
РДП – регистр данных памяти
СК – счетчик команд
РК – регистр команд
УС – указатель стэка
ДКО – дешифратор кода операции
МПА – микропрограммный автомат
АЛУ – арифметически-логическое устройство
Px/Py – регистры операндов x/y
ОпБ – операционный блок
Акк –аккумулятор
Рпр – регистр
УВВ – устройство ввода-вывода
ДВВ – дешифратор номера порта ввода/вывода
)