2. Структура и общие принципы организации запоминающих устройств, использующихся для внутри машинного размещения информации

После ввода в ЭВМ, информация может располагаться и храниться в основной памяти (ОП), на жестком диске, в сверхоперативной памяти (СОП), входящей в состав центрального процессора. Она может также располагаться и быть доступной для обработки на сменных дисках, флэш-картах и т.д. Поскольку задачей данного пособия является рассмотрение принципов и способов представления «управляющей информации» внутри ЭВМ, то, безусловно, необходимо дать характеристику и самим основным устройствам, в которых размещается эта информация: ОП и СОП.

2.1 Структура основной памяти ОП

ОП является адресной памятью, состоит из огромного количества 8-ми разрядных ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный 16-ый адрес. Структура ОП приведена на Рис.2.1. Реализация относительной адресации связана с условным разбиением ОП на блоки по 4096 байтов. Справа от структуры ОП в общем виде представлена структура адреса произвольного байта ОП. Формирование адреса осуществляется при помощи двух частей: номера блока-5-ть старших битов и смещения относительно начала блока. Начало каждого блока совпадает с адресом ее первого байта, значение которого кратно 4096. Этот адрес получил - базового. Поскольку объем блока равен 4096, то базовым может считаться адрес кратный 4096 или адрес, в котором 3 младших шестнадцатеричные цифры равны 0. Отсчет блоков начинается с 0.

Рис. 2.1. Блочная организация ОП.

Самые верхние 4096 байтов образуют «0»-ой блок ОП. Понятие базового адреса используется при вычислении абсолютных или исполнительных адресов операндов, размещающих в ОП. В пределах каждого блока, адрес любого байта определяется 12-ти разрядным двоичным или 3-х разрядным 16-ым числом, которое называется смещением и обозначается в машинных командах латинской буквой «D». Смещение может принимать значение от ООО₁₆ до FFF₁₆.Если при помощи выражения (В) обозначить содержимое регистра СОП, в котором находится значение базового адреса, то значение любого абсолютного адреса «А» ОП можно определить по формуле:

А=[В]+D (2.1)

«А», [В] и «D» представляются в 16-ой системе счисления.

Если программы и данные располагаются в нескольких блоках основной памяти, то в регистрах общего назначения приходится хранить несколько базовых адресов (БА). Местом хранения базовых адресов является регистры общего назначения СОП. Применение относительной адресации упрощает процесс перемещения программ в ОП, для этого достаточно поменять значения базовых адресов в регистрах СОП. Распределение ОП и назначение БА осуществляется автоматически управляющей программой операционной системы. При программировании на машинноориентированных языках (Ассемблерах), программистам, как правило, самим приходится назначать базовые адреса и распределять основную память. Эти операции приходится выполнять при составлении программ и для микроконтроллеров. Назначение нескольких базовых адресов для одной и той же программы происходит в тех случаях, когда объем программы и данных требуют объема большего, чем 4096 байтов. Распределение ОП между несколькими программами, исходя из блочной организации памяти, осуществляется исключительно блоками со стандартными объемами 4096 байтов. При оперировании с «данными», имеющими длины полуслов, слов или двойных слов, в качестве абсолютного адреса данных в команде выступает адрес самого младшего байта поля ОП, закрепленного за этой переменной.

2.2. Структура и организация СОП

СОП также является адресной памятью, каждая ячейка имеет свой собственный адрес или номер (Рис.2.2). У этой памяти есть и другое название – регистры общего назначения ( РОН). Она состоит из 16-ти 32-х разрядных регистров общего назначения. Поскольку, среди числовых форматов «данных», есть форматы, которые могут иметь длину 8 байт, то разработчикам современных ЭВМ пришлось базе тех же стандартных, соседних РОН, только спаренных по два, условно выделить четыре регистра с плавающей запятой (РПЗ) с уникальными четными номерами 0,2,4,6. РПЗ с номером 0-это спаренные РОН с номерами 0 и 1, 2-это 2 и 3, 4-это 4 и 5, 6-это 6 и 7. Использование СОП позволяет повысить среднюю скорость выполнения операций, поскольку СОП имеет меньший цикл обращения по сравнению с ОП. СОП используется для временного хранения операндов и результатов арифметических операций, а также для хранения базовых адресов и индексов переменных типа массив (констант модификации адресов) при формировании исполнительных (абсолютных) адресов ОП.

Номер регистра	Двоичный адрес регистра (R)	РОН	РПЗ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F	0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111	0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31 0 31	0 63 0 63 0 63 0 63

Рис 2.2. Структура СОП.

Вопрос двойного назначения регистров с номерами 0, 2, 4 и 6, использующихся в машинных командах, решается при помощи полей кодов операций (КОП), в которых заложена информация о форматах «данных», обработка которых будет осуществляться при помощи данной команды.

2.3. Структура информационных связей блоков центрального процессора с основной и регистровой памятью

Структура основных связей блоков центрального процессора с основной и регистровой памятью представлена на Рис 2.3.

Рис. 2.3. Обобщенная структурная схема взаимодействия ОП и блоков центрального процессора в процессе выполнения машинной команды.

В качестве места расположения программы выбрана ОП. Команды программы поступают из ОП на 64-х разрядный регистр команд (РК), входящий в состав блока управляющих регистров (БУР). Выборка машинных команд из ОП осуществляется порциями по 2 байта. В зависимости от типа команды операнды могут располагаться как в ОП, так и в РОН. Для операндов, расположенных в ОП, необходимо выполнение процедуры определения их абсолютных адресов. После определения абсолютных адресов, осуществляется выборка значений операндов из ОП и занесение их регистры блока арифметическо-логического (БАЛ). Далее осуществляется выполнение машинной команды, которая представляет из себя последовательность или программу из микрокоманд Рис.1.1. На выполнение каждой микрокоманды отводится стандартное время – машинный такт. В течении машинного такта осуществляется выполнение одного из стандартных физических процессов. Последней микрокомандой в цепочке микрокоманд, как правило, является микрокоманда под управлением которой осуществляется запись результатов выполнения машинной команды ОП. ОП типовой ЭВМ 4-го поколения состоит из огромного количества типовых восьмиразрядных ячеек памяти. Каждая ячейка представляет собой 8-ми разрядный регистр, в который в течении машинного такта «Т» можно заносить содержимое 8-ми двоичных разрядов, а также считывать без разрушения записанное ранее содержимое.