ЛР_1_ЭВМиПУ_2011_2012_версия_1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КУРСКИЙ ИНСТИТУТ СОЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ (ФИЛИАЛ) ФГБОУ ВПО «РГСУ»

Инженерно-технический факультет

Кафедра математических и естественных наук

ЭВМ И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ № 1

«АРХИТЕКТУРА И СИСТЕМА КОМАНД УЧЕБНОЙ МОДЕЛИ КОМПЬЮТЕРА»

для студентов направления подготовки бакалавриата

230100.62 «Информатика и вычислительная техника»

Курск

2011

Составитель — доцент кафедры информационных систем и информационного права Курского института социального образования (филиала) РГСУ, канд. пед. наук, доц. Крапивка С. В.

Рецензент — декан инженерно-технического факультета Курского института социального образования (филиала) РГСУ, канд. техн. наук, доц. Горбатенко С. А.

Крапивка, С.В.

K77 ЭВМ и периферийные устройства: методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 «Архитектура и система команд учебной модели компьютера» / С. В. Крапивка; Курск. ин-т социального образования (филиал) РГСУ. – Курск: ООО

«Мечта», 2012. — *** с.

Настоящие методические рекомендации разработаны на основе Федерального государственного образовательного стандарта ВПО РФ по направлению подготовки бакалавриата 230100.62 «Информатика и вычислительная техника».

Содержат описание практических заданий по изучению архитектуры и системы команд учебной модели компьютера.

Предназначены для организации выполнения лабораторного практикума по дисциплине «ЭВМ и периферийные устройства».

УДК

ББК

©Крапивка С. В., 2012

©Курский институт социального образования (филиал) РГСУ, 2012

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

АРХИТЕКТУРА И СИСТЕМА КОМАНД УЧЕБНОЙ МОДЕЛИ

КОМПЬЮТЕРА

Цель: 1. Изучить базовую и расширенную архитектуру, форматы представления данных, систему команд и интерфейс учебной модели компьютера.

2.Добиться умения навигации в системе, модификации значений регистров и ячеек оперативной памяти, запуска, пошагового выполнения и отладки программ учебной модели.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Описание архитектуры учебной модели компьютера

Базовая архитектура моделируемого компьютера включает процессор, оперативную (ОЗУ) и сверхоперативную память (регистры), устройство ввода (УВв) и устройство вывода (УВыв). Процессор, в свою очередь, состоит из центрального устройства управления (УУ), арифметикологического устройства (АЛУ) и системных регистров (CR, PC, SP и др). Структурная схема базовой модели компьютера показана на рис. 1.

Рис. 1. Базовая структура учебной модели

3

В расширенной архитектуре учебной модели добавлена кэш-память, контроллер прерываний, а также периферийные устройства (клавиатура, дисплей) и блок таймеров. Структурная схема расширенной модели компьютера показана на рис. 2.

Рис. 2. Расширенная структура учебной модели

В ячейках ОЗУ хранятся команды и данные. Емкость ОЗУ — 1000 ячеек. По сигналу MWr выполняется запись содержимого регистра данных (MDR) в ячейку памяти с адресом, указанным в регистре адреса (MAR). По сигналу MRd происходит считывание — содержимое ячейки памяти с адресом, содержащимся в MAR, передается в MDR.

Сверхоперативная память с прямой адресацией содержит десять регистров общего назначения R0 .. R9. Доступ к ним осуществляется (аналогично доступу к ОЗУ) через регистры RAR и RDR по сигналам RWr, RRd.

АЛУ по сигналу STRALU осуществляет выполнение одной из арифметических операций, определяемой кодом операции (COP), над содержимым аккумулятора (Acc) и регистра операнда (DR). Результат операции всегда помещается в Acc. При завершении выполнения операции АЛУ вырабатывает сигналы признаков результата: Z (равен 1, если результат равен нулю); S (равен 1, если результат отрицателен); OV (равен 1, если при выполнении операции произошло переполнение разрядной сетки). В

4

случаях, когда эти условия не выполняются, соответствующие сигналы имеют нулевое значение.

В модели компьютера предусмотрены внешние устройства двух типов. Во-первых, это регистры IR и OR, которые могут обмениваться с аккумулятором с помощью безадресных команд IN (Acc := IR) и OUT (OR := Acc). Во-вторых, это набор моделей внешних устройств, которые могут подключаться к системе и взаимодействовать с ней в соответствии с заложенными в моделях алгоритмами. Каждое внешнее устройство имеет ряд программно-доступных регистров, может иметь собственный обозреватель (окно видимых элементов).

Устройство управления (УУ) осуществляет выборку команд из ОЗУ в последовательности, определяемой естественным порядком выполнения команд (т.е. в порядке возрастания адресов команд в ОЗУ) или командами передачи управления; выборку из ОЗУ операндов, задаваемых адресами команды; инициирование выполнения операции, предписанной командой; останов или переход к выполнению следующей команды.

В состав УУ входят:

PC — счѐтчик адреса команды, содержащий адрес текущей команды; CR — регистр команды, содержащий код команды;

RB — регистр базового адреса, содержащий базовый адрес; SP — указатель стека, содержащий адрес верхушки стека;

RA — регистр адреса, содержащий исполнительный адрес при косвенной адресации.

Регистры Acc, DR, IR, OR, CR и все ячейки ОЗУ и РОН имеют длину 6 десятичных разрядов, регистры PC, SP, RA и RB — 3 разряда.

Представление данных в модели

Данные в учебной модели представляются в формате, показанном на рис. 3.

Рис. 3. Представление данных

5

Это целые десятичные числа, изменяющиеся в диапазоне от –99999 до +99999, содержащие знак и 5 десятичных цифр. Старший разряд слова данных используется для кодирования знака: «плюс» изображается как

«0», «минус» — как «1».

Если результат арифметической операции выходит за пределы указанного диапазона, то говорят, что произошло переполнение разрядной сетки. АЛУ в этом случае вырабатывает сигнал переполнения OV = 1. Результатом операции деления является целая часть частного. Деление на нуль вызывает переполнение.

Интерфейс пользователя

В программной модели учебного компьютера использован стандартный интерфейс Windows, реализованный в нескольких окнах. Основное окно «Модель учебной ЭВМ» показано на рис. 4.

Рис. 4. Основное окно модели Окно «Модель учебной ЭВМ» включает основное меню и кнопки на

панели управления. В рабочее поле окна выводятся сообщения о функционировании системы в целом. Эти сообщения группируются в log-файл, сохраняются на диске и могут быть проанализированы после завершения сеанса работы с моделью. Меню содержит следующие пункты и команды:

Файл (неактивные команды); Вид:

Показать все;

Скрыть все;

6

Процессор;

Микрокомандный уровень;

Память;

Программа;

Текст программы. Внешние устройства:

Менеджер ВУ;

<окна подключенных ВУ>;

Работа:

Пуск;

Стоп;

Шаг;

Режим микрокоманд;

Кэш-память

Настройки;

Команды меню Вид открывают окна соответствующих обозревателей, описанные ниже.

Менеджер внешних устройств позволяет подключать/отключать внешние устройства, предусмотренные в системе. Команда вызова менеджера внешних устройств выполняется при нажатии кнопки на панели инструментов.

Команды меню Работа позволяют запустить программу в автоматическом (Пуск) или шаговом Шаг режиме, остановить выполнение программы в модели процессора ( Стоп ). Эти команды могут выполняться при нажатии соответствующих кнопок на панели инструментов основного окна — Go, Step, Stop.

Команда Режим микрокоманд (флажок) включает/выключает микрокомандный режим работы процессора.

Команда Настройка открывает диалоговое окно, позволяющее установить задержку реализации командного цикла (при выполнении программы в режиме Автомат ), а так же установить параметры log-файла, формируемого системой и записываемого на диск.

7

Окна основных обозревателей системы

Окно Процессор обеспечивает доступ ко всем регистрам и флагам процессора.

Программно-доступные регистры и флаги:

Acc — аккумулятор

PC — счѐтчик адреса команды, содержащий адрес текущей команды;

SP — указатель стека, содержащий адрес верхушки стека;

RB — регистр базового адреса, содержащий базовый адрес;

RA — регистр адреса, содержащий исполнительный адрес при косвенной адресации;

IR — входной регистр;

OR — выходной регистр;

I — флаг разрешения прерываний

Системные регистры и флаги:

DR — регистр данных АЛУ, содержащий второй операнд;

MDR — регистр данных ОЗУ;

MAR — регистр адреса ОЗУ;

RDR — регистр данных блока РОН;

RAR — регистр адреса блока РОН;

8

CR: COP.TA.ADR — регистр команд, содержащий поля (COP — код операции, TA — тип адресации, ADR — адрес или непосредственный операнд);

Z — флаг нулевого значения Acc;

S — флаг отрицательного значения Acc;

OV — флаг переполнения.

Регистры Acc, DR, IR, OR, CR и все ячейки ОЗУ и РОН имеют длину 6 десятичных разрядов, регистры PC, SP, RA и RB — 3 разряда. В окне Процессор отражаются текущие значения регистров и флагов, причем в состоянии Останов все регистры, включая регистры блока РОН, и флаги (кроме флага I) доступны для непосредственного редактирования.

Органы управления окна Процессор включают меню и кнопки, вызывающие команды:

Сохранить

Загрузить

Reset

Reset R0-R9 (только пункт меню).

Команды Сохранить, Загрузить позволяют сохранить текущее значение регистров и флагов процессора в файле и восстановить состояние процессора из файла.

Команда Reset и кнопка R устанавливает все регистры (в том числе блок РОН) в начальное (нулевое) значение. Содержимое ячеек памяти при этом не меняется. Выполняемая только из меню Работа команда Reset R0R9 очищает только регистры блока РОН.

Окно Память отражает текущее состояние ячеек ОЗУ.

9