23. Понятие архитектуры компьютера. Структура компьютера. Понятие о cisc и risc.

Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (неймановская) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;

многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

CISC – Complex Instruction Set Computers

-Расширенный набор команд

-Время исполнения команд различное

-Программный код короче

-Команды плохо «конвейеризируются»

-Процессор сложнее

DEC VAX, Intel, AMD, Motorola

RISC – Reduced Instruction Set Computers

-Сокращенный набор команд

-«Одна команда за такт!»

-Программный код длиннее

-Ориентирована на конвейеризацию

-Процессор проще

SPARC, PowerPC, ARM, MIPS

24. Регистры общего назначения и их особенности у Intel.

Регистр процессора — сверхбыстрая оперативная память (СОЗУ) внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления — РОН (регистр общего назначения) или содержащая данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д. (специальные регистры).

Регистр представляет собой цифровую электронную схему, служащую для временного хранения двоичных чисел. В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту (например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, и программист обратиться к этому регистру не может). Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы (например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов). Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем. Существуют также так называемые регистры общего назначения (РОН), представляющие собой часть регистров процессора, использующихся без ограничения в арифметических операциях, но имеющие определенные ограничения, например в строковых. РОН, не характерные для эпохи мейнфреймов типа IBM/370 стали популярными в микропроцессорах архитектуры X86 — i8085, i8086 и последующих.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём регистров (объём среднего модуля оперативной памяти сегодня составляет 1-4 Гб[4], суммарная «ёмкость» регистров общего назначения/данных для процессора Intel 80x86 16 битов * 4 = 64 бита (8 байт)).

РЕГИСТРЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Восемь регистров общего назначения процессора 8086 (каждый разрядностью 16 бит) используются в операциях большинства инструкций в качестве источника или приемника при перемещении данных и вычислениях, указателей на ячейки памяти и счетчиков. Каждый регистр общего назначения может использоваться для хранения

16-битового значения, в арифметических и логических операциях, может выполняться обмен между регистром и памятью (запись из регистра в память и наоборот).

Кроме этих общих свойств, каждый регистр общего назначения имеет свои особенности. Поэтому рассмотрим далее каждый из них отдельно.

Регистр AX называют также накопителем (аккумулятором). Этот регистр всегда используется в операциях умножения или деления и является также одним из тех регистров, который можно использовать для наиболее эффективных операций (арифметических, логических или операций перемещения данных).

Младшие 8 битов регистра AX называются также регистром AL, а старшие 8 битов - регистром AH. Это может оказаться удобным при работе с данными размером в байт. Таким образом, регистр AX можно использовать, как два отдельных регистра.

Регистр BX может использоваться для ссылки на ячейку памяти (указатель), т.е. 16-битовое значение, записанное в BX, может использоваться в качестве части адреса ячейки памяти, к которой производится обращение. По умолчанию, когда BX используется в качестве указателя на ячейку памяти, он ссылается на нее относительно сегментного регистра DS. Как и регистры AX, CX и DX, регистр BX может интерпретироваться, как два восьмибитовых регистра - BH и BL.

Специализация регистра CX - использование в качестве счетчика при выполнении циклов. Уменьшение значения счетчика и цикл - это часто используемый

элемент программы, поэтому в процессоре 8086 используется специальная команда для того, чтобы циклы выполнялись быстрее и были более компактными. Эта команда называется LOOP. Инструкция LOOP вычитает 1 из CX и выполняет переход, если содержимое регистра CX не равно 0. Регистр CX можно интерпретировать, как два 8-разрядных регистра - CH и CL.

Регистр DX - это единственный регистр, которые может использоваться в качестве указателя адреса ввода-вывода в командах IN и OUT. Фактически, кроме использования регистра DX нет другого способа адресоваться к портам ввода-вывода с 256 по 65535. Другие уникальные качества регистра DX относятся к операциям

деления и умножения. Когда вы делите 32-битовое делимое на 16-битовый делитель, старшие 16 битов делимого должны быть помещены в регистр DX (младшие 16 битов делимого должны быть помещены в регистр AX). После выполнения деления остаток также сохраняется в регистре DX (частное от деления будет записано в AX). Аналогично, когда вы перемножаете два 16-битовых сомножителя, старшие 16 битов произведения сохраняются в DX (младшие 16 битов записываются в регистр AX).

Регистр DX можно интерпретировать, как два 8-разрядных регистра - DH и DL.

Как и регистр BX, регистр SI может использоваться, как указатель на ячейку памяти. Особенно полезно использовать регистр SI для ссылки на память в строковых командах процессора 8086, которые не только изменяют содержимое по адресу памяти, на который указывает SI, но к SI также добавляется или вычитается 1. Это

может оказаться очень эффективным при организации доступа к последовательным ячейкам памяти (например, к строке текста). Кроме того, можно сделать так, что строковые команды будут автоматически определенное число раз повторять свои действия, так что отдельная команда может выполнить сотни, а иногда и тысячи действий.

Регистр DI очень похож на регистр SI в том плане, что его можно использовать в качестве указателя ячейки памяти. При использовании его в строковых командах регистр DI несколько отличается от регистра SI. В то время как SI всегда используется в строковых командах, как указатель на исходную ячейку памяти (источник), DI всегда служит указателем на целевую ячейку памяти (приемник). Кроме того, в строковых командах регистр SI обычно адресуется к памяти относительно сегментного регистра DS, в то время как DI всегда адресуется к памяти относительно сегментного

регистра ES. Когда SI и DI используются в качестве указателей на ячейки памяти в других командах (не строковых), то они всегда адресуются к памяти относительно регистра DS. Как и регистры BX, SI и DI, регистр BP также может использоваться в качестве указателя на ячейку памяти, но здесь есть некоторые отличия. Регистры BX, SI и DI обычно ссылаются на память относительно сегментного регистра DS (или, в случае использования в строковых командах регистра DI, относительно сегментного регистра ES), а регистр BP адресуется к памяти относительно регистра SS (сегментный регистр стека). Регистр BP создан для обеспечения работы с параметрами процедур, локальными переменными и других случаев, когда требуется адресация к памяти с использованием стека.

Регистр SP называется также указателем стека. Это "наименее общий" из регистров общего назначения, поскольку он практически всегда используется для специальной цели - обеспечения стека. Стек - это область памяти, в которой можно сохранять значения и из которой они могут затем извлекаться по дисциплине "последний-пришел-первый-ушел" (LIFO ). То есть последнее сохраненное в стеке значение будет первым значением, которое вы получите при чтении из стека.

Регистр SP в каждый момент времени указывает на вершину стека. Вершина стека - это то место, в котором в стеке сохраняется следующее помещенное туда значение. Действие, состоящее в занесении значений в стек, называют также "заталкиванием" (pushing) в стек (для этого используется команда PUSH). Аналогично, действие, состоящее в извлечении (выборке) значений из стека, называют также "выталкиванием" (popping) из стека (для этого используется команда POP). Хотя процессор 8086 и позволяет записывать значения в SP или складывать и вычитать хранящиеся в регистре SP значения (как это можно делать с обычными регистрами общего назначения), вам не следует к этому прибегать, если вы в точности не знаете, что делаете. Если вы изменяете SP, то изменяется расположение вершины стека, что быстро может привести к неприятностям, так как занесение данных в стек и извлечение их из него не является единственным способом использования стека. Стек используется всякий раз, когда вы вызываете или возвращаетесь из подпрограммы (процедуры или функции). Кроме того, стек используют некоторые системные программы (такие, как драйвер клавиатуры или системный таймер), когда они прерывают процессор 8086, чтобы выполнить свои функции. Все это означает, что стек может в любой момент потребоваться.

Если вы измените SP, то правильное значение стека может оказаться недоступным, когда он потребуется системным программам. Можно свободно выполнять операции занесения в стек и извлечения из него, вызовы и возвраты управления, но не изменяйте значения регистра SP непосредственно. Любой из других семи регистров общего назначения можно спокойно изменять в любой момент.