4. Аппаратная архитектура компьютера: процессор, регистры, память.

Устройство компьютераКомпьютер - это универсальный исполнитель, который умеет управлять другими исполнителями и обладает собственной внутренней памятью. Запись алгоритма для компьютера называется программой. Все современные компьютеры построены по так называемой фон-Неймановской архитектуре: программа хранится в памяти компьютера, так же как и данные. Компьютер построен из следующих составных частей:

• процессор- это основа любого компьютера, его мозг. Процессор производит все вычисления и отдает команды всем остальным компонентам компьютера;

• оперативная памятьтакже является обязательной составной частью любого компьютера. Оперативная память (RAM - Random Access Memory) хранит как программу, так и данные (т.е. значения переменных). Часть памяти может быть защищена от записи и хранится в специальной микросхеме (ПЗУ - постоянное запоминающее устройство или ROM - Read Only Memory). Обычно в ПЗУ лежит программа первоначальной загрузки и базовая система ввода-вывода (BIOS);

• шина- это канал передачи команд и данных между всеми составными частями компьютера. В компьютере могут быть одна или несколько шин. Все устройства подключаются к шине параллельно, т.е. порядок подключения не важен, а количество проводов не зависит от количества подключенных устройств. Порядок передачи команд и данных определяется протоколом работы шины, т.е. четко описанным набором соглашений, принятым, как правило, в виде международного стандарта. Каждое устройство подключается к шине с помощью контроллера, который осуществляет перевод с языка сигналов, передаваемых по шине, на язык команд конкретного устройства;

• внешние устройстваподключаются к шине компьютера. Наиболее распространенные внешние устройства - это жесткий диск, клавиатура, монитор, сетевая карта, модем и т.п. Ни одно из них не является обязательным, как показывает пример компьютера, управляющего автомобильным двигателем со впрыском топлива. Но какие-то внешние устройства всегда присутствуют, поскольку через них осуществляется связь компьютера с внешним миром

Оперативная памятьЭлементарной единицей памяти всех современных компьютеров являетсябайт, состоящий из восьми двоичных разрядов. Каждый байт имеет свой адрес. В наиболее распространенной 32-разрядной архитектуре адреса байтов изменяются от 0 до 232 - 1 с шагом 1. Память, с логической точки зрения, можно рассматривать как массив байтов: можно прочесть или записать байт с заданным адресом. Содержимое байта трактуется либо как неотрицательное целое число в диапазоне от 0 до 255, либо как число со знаком в диапазоне от -128 до 127. (На самом деле байт — это элемент кольца вычетов по модулю 256) Однако физически при работе с памятью по шине передаются не отдельные байты, амашинные слова. В 32-разрядной архитектуре машинное слово — это четыре подряд идущих байта, при этом адрес младшего байта кратен четырем. (В 64-разрядной архитектуре машинное слово состоит из восьми байтов.) Машинное слово — это наиболее естественный элемент данных для процессора. Машинное слово содержит целое число, которое можно рассматривать либо как беззнаковое в диапазоне от 0 до 232 - 1, либо как знаковое в диапазоне от -2 31 до 231 - 1. Адрес памяти также представляет собой машинное слово. Принято нумеровать биты внутри машинного слова (как и внутри байта) справа налево, начиная с нуля и кончая 31. Младший бит имеет нулевой номер, старший, или знаковый, бит — номер 31 . Младшие биты числа находятся в младших битах машинного слова. Существуют два способа нумеровать байты внутри машинного слова. В соответствии с этим все процессоры разделяются на два типа:

• Big Endian - байты внутри машинного слова нумеруются слева направо. Таковы процессоры Motorola, Power PC. Байты в архитектуре Big Endian удобно представлять записаннымислева направо. При этомстаршиебиты целого числа располагаются в байте смладшимадресом.

• Little Endian- байты внутри машинного слова нумеруются справа налево. Таковы процессоры Intel 80x86, Alpha, VAX и др. Байты в архитектуре Little Endian следует представлять записаннымисправа налево. При этомстаршиебиты целого числа располагаются в байте состаршимадресом.

Процессор является основой любого компьютера. Это большая микросхема, содержащая внутри себя сотни тысяч или даже миллионы элементов. Современные процессоры чрезвычайно сложны и могут содержать несколько уровней построения и описания. Так, можно различать внешние команды процессора в том виде, в котором они используются в программах и записываются в оперативной памяти, и внутренний микрокод, применяемый для реализации внешних команд. Процессор может содержать внутри себя устройства, предназначенные для ускорения работы, — конвейер команд, устройство опережающей выборки из памяти, кеш-память и т.п. Рассмотрим лишь самые общие принципы построения и работы процессора, которые одинаковы как для примитивных, так и для самых современных процессоров. Любой процессор имеет устройство, выполняющее команды, и собственную внутреннюю память, реализованную внутри микросхемы процессора. Она называется регистрами процессора. Имеется 3 типа регистров:

• общие регистрыхранят целые числа или адреса. Размер общего регистра совпадает с размером машинного слова и в 32-разрядной архитектуре равен четырем байтам. Число общих регистров и их назначение зависит от конкретного процессора. В большинстве Ассемблеров к ним можно обращаться по именам R0, R1, R2, ...Среди общих регистров имеются регистры специального назначения: указатель стека SP (Stack Pointer), счетчик команд PC (Program Counter) и др.;

• регистр флаговсодержит биты, которые устанавливаются в единицу или в ноль в зависимости от результата выполнения последней команды. Так, бит Z устанавливается в единицу, если результат равен нулю (Zero), бит N — если результат отрицательный (Negative), бит V — если произошло переполнение (oVerflow), бит С - если произошел перенос единицы из старшего или младшего разряда (Carry), например, при сложении двух целых чисел или при сдвиге. Значения битов в регистре флагов используются в командах условных переходов;

• плавающие регистры содержат вещественные числа. В простых процессорах аппаратная поддержка арифметики вещественных чисел может отсутствовать. В этом случае плавающих регистров нет, а операции с вещественными числами реализуются программным путем.