Тема №1. Основные подсистемы компьютера

Рисунок 1.Основные подсистемы компьютера

Основной цикл обработки машинной команды включает фазу выборки команды, фазы выборки операндов (количество этих фаз для разных команд разное, причем при выполнении некоторых команд выборка операндов вообще не производится), фазу сохранения результата , за которой, если разрешен режим работы с прерываниями, следует фаза анализа прерывания.

Основные компоненты компьютерной системы (ЦП,ОП, Модули ввода/выволда) должны быть каким то образом связаны между собой, чтобы иметь возмодность обмениваться данными и управляющими сигналами. Наиболее распространенным в настоящее время методом организации подсистемы связи является шмнная структура - магистраль, совместно используемая всеми подключенными к ней компонентами. Как правило, в современных системах для обеспечения высокой производительности организуется несколько магистралей, которые образуют иерархичечскую структуру.

Ключевыми вопросами струкьтупной организации магистрали являются методы арбитража ( централизованный арбитраж или распределенный), синхронизации (синхронизируются ли передаваемые по шине сигналы внешними тактовыми импульсами или сигналы распространяются асинхронно) и разрядность шины (количесиво адресных линий и линий данных).

Можно считать , что в самом общем виде компьютер состоит из компонентов трех типов - ЦП, ОП, модулей ввода/вывода, причем компонентов некоторых типов может быть несколько. ДЛя того чтобы компоненты в процессе работы могли обмениваться данными и управляющими сигналами , должна существовать некая подситема,обеспечивающая связь между ними. Таким образом, описывая в самом общем виде компьютерную систему, мы должны обратить внимание:

1. функции каждого компонента по отношению к другим, т.е. данные и управляющие сигналы, котрорыми он обменивается с другими компонентами;

2. структуру, обеспечивающую передачу этих сигналов по назначению.

Базовые компоненты

Итак, все компьютеры в общих чертах следуют концепции выработанной фон Нейманом. Она включает три основных компонента:

1. данные и команды хранятся совместно в единой подсистеме памяти, способной выполнять операции чтения и записи;

2. к отдельным элементам информации, хранящейся в памяти, можно обратиться по адресу;

3. заданый алгоритм решения задачи реализуется последовательным выполнением элементарных команд в порядке их расположения в памяти.

Существует небольшой набор базовых логических элементов, комбинируя которые разными способами , можно создавать средства хранения информации и ее логической обработки, в том числе и выполнения арифметических операций. Если необходимо выполнить определенные вычисления, то может быть скомпонована специальная конфигурация логических элементов именно для этих вычилений. Процесс компоновки различных элементов для получения желаемой конфигурации можно рассматривать как своеобразную форму программирования. Реализованный таким способом алгоритм имеетвид определеннной конфигурации физических элементов, и по отношению к такому способу реализации используется термин "система с жесткой логикой". А теперь рассмотрим альтернатовное решение проблемы. Предположим, что из простейших логических и запоминающих элементов сконструировано в определенной степенени универсальное кстройство общего назначения- "универсальный преобразователь данных", способное выполнять некоторый набор арифметическтх и логических функций. Такое устройство будет выпонять разные операции с переданными ему данными в соответствии с поступившими упрвляющими сигналами.Специализированная система с жесткой логикой принимает данные и формирует некоторый результат, зависящий только от значений данных и от "заложенной" в систему преобразования.

Система , оснащенная универсальным преобразователем данных , оперирует не только с данными , нои с упарвляющими сигналами, которые определяют, какие же именнооперации следует выполнить над этими данными. Таким образом, одни и те же данные одним и тем же устройством могут быть преобразованы по-разному -это зависит от сигналов.

Как же выроботать нужную последовательность упрвляющих сигналов?Ответ: программа представляет последовательность элементарных шагов, на каждом из которых нужно выполнить какуб-либо арифметическую или логическую операцию над некоторыми данными и , следовательно, нужно сформировать свою комбинацию управляющих сигналов. Обознасим каждую из таких комбинаций уникальным кодом операции и подключим к нашему универсальному преобразователю данных блок, котрорый смлжет расшифровать этот код и сформировать соответствующую комбинацию упрвляющих сигналов.

Для программирования такой системы нужно изменить последовательность кодов операций, а не конфигурацию физических элементов. Методику программирования , основанную на задании последовательности кодов выполняемых операций,называют " мягкой логикой" - software.

На рисунке 3 показаны два важнейщих компонента программируемой системы: интерпритатор (дешифратор) команд и универсальный модуль выполнения арифметических и логических операций. Вместе они образуют ЦП. Для того чтобы вся системв работала ,в нее помимо процессора нужно добавить компоненты, посредством которых эти данные и команды попадут в систему и будут извлечены из нее.

Если бы команды программы всегда выполнялись в одном и том же порядке (естественном порядке), перечисленных компонентов было бы достаточно для функционирования компьютера. Однако оказывается, что для реализации некоторых алгоритмов требуется,иногда "перескакивать" через несколько очередных команд, а иногда варьировать последовательнгость команд одной и той же пронграммы в зависимости от значений данных или промежуточных результатов. Кроме того, требуется где-то сохранять промежуточные результаты , которые не нужны пользователю, но без которых не обойтись при подсчете конечного результата. Поэтому непременным атрибутом вычислительной системы является наличие устройства адресуемой памяти (еще ее называют оперативной или главной). Фон Нейман специально подчеркивал, что в этой памяти должны хранить­ся и данные, и команды программы.

Рассмотрим в самом общем виде функциональную структуру (рисунок 4) основ­ных компонентов компьютера. ЦП должен обмениваться с памятью данными и извлекать из нее команды программы. Для этого в составе ЦП имеются, как ми­нимум, два регистра (внутренних элементов памяти) — регистр адреса MAR (memory address register) и регистр данных памяти MBR (memory buffer regis­ter). В MAR формируется адрес очередной ячейки памяти для выполнения запи­си или чтения, а регистр MBR служит для временного хранения данных, запи­сываемых в память или считанных из памяти. Соответственно, регистр адреса внешнего устройства I/OAR служит для хранения кода нужного устройства вво­да-вывода, а регистр данных внешнего устройства I/OBR — для хранения дан­ных, передаваемых в устройство ввода-вывода или получаемых из него.Устройство оперативной памяти содержит множество ячеек, каждая из кото­рых имеет свой числовой идентификатор — адрес. В каждой ячейке хранится число, которое может быть интерпретировано и как элемент данных, и как команда.Модуль ввода-вывода передает данные от внешнего устройства в ЦП или в память и обратно, для чего в его состав входят внутренние буферы для времен­ного хранения передаваемых данных.

Теперь рассмотрим, каким образом , работают совместно основные компоненты в процессе выполнения программы.