15 Принципы построения и функционирования эвм на примере базовой эвм

1. Назначение и структура базовой эвм

Вычислительные машины существенно различаются по возможностям, размерам и стоимости. Некоторые машины могут выполнять очень ограниченное число простых операций, в то время как другие — сотни различных операций (команд). Теоретически для решения конкретной задачи можно использовать любую ЭВМ. Малая будет решать задачу путем выполнения большого числа очень простых команд, в связи с чем может потребоваться большой интервал времени для получения решения. Большая ЭВМ, способная выполнять множество операций, решит ту же задачу значительно быстрее.

Рассмотрим простую гипотетическую машину, обладающую типичными чертами многих конкретных микроЭВМ. Знание принципов построения и функционирования этой ЭВМ является хорошей базой для освоения микропроцессорных систем любых типов и моделей, поэтому она названа базовой ЭВМ. Естественно, начинать изучение ЭВМ целесообразно с подобной машины низкого уровня, что можно делать практически, используя ее модели, построенные для разных типов персональных ЭВМ. При построении базовой ЭВМ за прототип выбрана ЭВМ типа PDP-8 (рис. 1).

На рис. 2 приведена упрощенная структура базовой ЭВМ. Это одноадресная машина, работающая с 16-разрядными словами. В ней реализованы два вида адресации операндов: прямая и косвенная. Рассмотрим составные части базовой ЭВМ, не касаясь пока устройств ввода-вывода (УВВ) и пульта управления (ПУ).

Память. Состоит память из 2048 ячеек по 16 бит с адресами 0, 1, ..., 2046, 2047. Одну ячейку (или слово) можно использовать для хранения одного двоичного числа или одной команды программы, закодированной в двоичном коде. Пользователь должен сам определить, какая область памяти будет использоваться для данных и какая — для программы. При этом надо учитывать, что восемь ячеек памяти с адресами 008, ..., 00F несколько отличаются от остальных. Эти ячейки называются индексными и их лучше использовать в циклических программах.

Команды исходной программы обычно размещаются пользователем в соседних ячейках памяти. Машина считывает одну команду из памяти и выполняет указанную в ней операцию. Затем она считывает следующую команду из последующей ячейки и выполняет следующую операцию и т. д.

Процессор. В состав процессора входят:

шесть регистров (16-разрядные регистр команд, аккумулятор и регистр данных, 11-разрядные счетчик команд и регистр адреса, 1-разрядный регистр переноса);

арифметико-логическое устройство, выполняющее операции инвертирования любого операнда (или двух операндов), сложения двух 16-разрядных операндов (или их инвертированых значений), логического умножения двух 16-разрядных операндов, добавления к результату единицы и участвующее в организации циклических сдвигов содержимого аккумулятора и регистра переноса;

микропрограммное устройство управления, хранящее в своей памяти микропрограммы выполнения 28 команд (табл. 1), четырех пультовых операций, реакции на сигналы прерывания выполняемой программы от устройств ввода-вывода и ряд других микропрограмм.

Рис. 2. Структура базовой ЭВМ

Рассмотрим подробнее назначение всех регистров процессора и АЛУ базовой ЭВМ.

Счетчик команд (СК). Он служит для организации обращения к ячейкам памяти, в которых хранится программа. В конце каждого цикла исполнения команды счетчик указывает адрес ячейки памяти, содержащей следующую команду программы. Так как команды чаще всего заносятся в последовательные ячейки, а при выполнении текущей команды содержимое счетчика увеличивается на единицу, то он автоматически указывает адрес следующей команды. В некоторых случаях содержимое счетчика команд может быть изменено самой программой (например, при выполнении команд переходов). Таким образом осуществляется передача управления другой части программы. В базовой ЭВМ используется 11-разрядный счетчик команд, который может формировать адреса любого из 2048 слов памяти.

Регистр команд (РК). Этот 16-разрядный регистр используется для хранения команды, непосредственно выполняемой машиной. Код операции команды пересылается из РК в устройство управления ЭВМ и декодируется. После этого происходят действия по реализации команды: считывание операнда и (или) выполнение операции, предписываемой командой,

Регистр адреса (РА). Он содержит значение исполнительного адреса ячейки памяти и состоит из 11 разрядов для адресации к 2048 ячейкам памяти. Если ЭВМ осуществляет выборку команды, то в РА пересылается содержимое счетчика команды СК для указания адреса ячейки, где хранится команда. Если ЭВМ производит выборку данных, то адрес может поступить регистра команд.

Регистр данных (РД). Используется он для временного хранения 16-разрядных слов при обмене информацией между памятью и процессором. При считывании команды, числа или символа из памяти в процессор это слово сначала попадает в регистр данных, а потом пересылается либо в регистр команд (команды), либо в другие регистры процессора. При пересылке данных из процессора в память они сначала помещаются в РД и лишь затем записываются в нужную ячейку памяти.

Когда информационное слово находится в регистре данных, оно доступно для осуществления арифметических или логических операций. Содержимое РД может быть, например, сложено с содержимым аккумулятора, а полученный результат занесен в аккумулятор.

Аккумулятор (А). Регистр А является одним из главных элементов процессора. Машина может выполнять арифметическую или логическую операцию только над двумя операндами одновременно. Обычно первый операнд извлекается из памяти в регистр данных, в то время как второй находится в аккумуляторе. Операция, задаваемая командой, выполняется над содержимыми РД и А, и результат операции помещается в аккумулятор.

Машина может проверить результат в аккумуляторе. В зависимости от результата проверки она может принимать различные решения. Здесь используется 16-разрядный аккумулятор. Всякий раз, когда при операции двоичного сложения возникает переполнение в старшем разряде, перенос теряется. Однако его можно записать в одноразрядный регистр переноса.

Регистр переноса (С). Это одноразрядный регистр, выступающий в качестве продолжения аккумулятора и заполняющийся при его переполнении. Этот регистр также используется для организации циклических сдвигов. Состояние регистра переноса может проверяться для принятия решений.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ базовой ЭВМ позволяет выполнять такие арифметические операции, как сложение и вычитание с учетом переноса (содержимого регистра С), полученного в результате осуществления предыдущей операции. Кроме того, оно способно выполнять операции логического умножения (операцию И), инвертирования, циклического сдвига и наращивания аккумулятора на 1.

Если с помощью рассматриваемой ЭВМ надо, например, получить сумму чисел 53 и 106, то это можно сделать по программе, приведенной в табл. 1. Хотя и команды, и данные должны быть закодированы в двоичной форме (единственной форме, которую понимает ЭВМ), эта программа для простоты написана с символическим обозначением команд.

Используются следующие команды:

CLA (Clear Accumulators — очистить аккумулятор) — по этой команде производится установка аккумулятора в нуль;

Таблица 1 Программа вычисления суммы двух чисел

ADD (ADD— сложить) — по этой команде содержимое ячейки с номером, написанным вслед за ADD, складывается с содержимым аккумулятора и результат остается в аккумуляторе;

MOV (MOVe— переслать) — по этой команде содержимое аккумулятора пересылается в ячейку с номером, написанным вслед за MOV; содержимое аккумулятора при этом сохраняется;

HLT (HaLT—стоп).

Программа записана в память ЭВМ начиная с ячейки 23, а числовые данные — с ячейки 20. Ячейка с номером 22 отведена для записи суммы. Для выполнения программы необходимо установить в счетчик команд число 23 и пустить ЭВМ. Тогда выполнение программы начнется с чтения содержимого ячейки 23. Команда CLA установит аккумулятор в нуль. При выполнении этой команды содержимое счетчика команд увеличится на 1 и следующая команда будет считываться из ячейки 24. Это команда ADD 20 складывает содержимое ячейки 20 с содержимым аккумулятора, т. е. 53 с 0. По окончании выполнения команды в аккумуляторе содержится число 53, а в счетчике команд — 25 (он опять наращивается на 1).

Следующая команда читается из ячейки 25, выполняется суммирование содержимых ячейки 21 и аккумулятора, т. е. 106 и 53. По окончании команды в аккумуляторе содержится сумма 106 + 53= 159, а в счетчике команд — 26. Следующая команда — MOV 22 пересылает содержимое аккумулятора в ячейку с адресом 22. Теперь в этой ячейке и аккумуляторе содержится число 159, а в счетчике команд — 27. Из ячейки 27 выбирается команда HLT, счетчик команд наращивается на 1 (в нем содержится число 28), но по команде HLT прекращается выборка команд, т. е фиксируется окончание выполнения программы (содержимое ячейки 28 не выбирается в регистр команд и не интерпретируется как команда).

Рис. 3. Выполнение команды ADD 21

Рассмотрим теперь подробнее выполнение одной из команд этой программы, например команды ADD 21. Перед ее выполнением в регистре команд хранится предыдущая команда (ADD 20), в регистре адреса — адрес ее операнда (20), в регистре данных и аккумуляторе — значение этого операнда (53) и в счетчике команд — адрес рассматриваемой команды (25).

Сначала адрес команды пересылается из счетчика команд в регистр адреса (рис. 3, а). Здесь следует отметить, что в базовой ЭВМ все пересылки между регистрами выполняются через АЛУ (при необходимости пересылаемое значение инвертируется, к нему добавляется единица и т. п.). Затем из памяти в регистр данных выбирается содержимое ячейки памяти, адрес которой расположен в регистре адреса, и производится увеличение на единицу содержимого счетчика команд (рис. 3, б, в). Наконец, содержимое регистра данных пересылается в регистр команд, и устройство управления начинает анализировать это содержимое, т. е. команду ADD 21 (рис. 3, г). Перечисленные действия относятся к «Выборке команды».

Расшифровав код операции команды ADD 21, устройство управления пересылает ее адресную часть (адрес 21) в регистр адреса (рис. 3, д). Пересылка осуществляется из регистра данных, где еще сохраняется копия команды. Затем из памяти в регистр данных считывается содержимое ячейки памяти, адрес которой расположен в регистре адреса (рис. 3, е). Это действие аналогично действию на рис. 3, б, но устройство управления будет теперь рассматривать содержимое регистра данных не как команду, а как слагаемое, которое на следующем шаге складывается с содержимым аккумулятора (рис. 3, ж). Наконец, полученная в АЛУ сумма пересылается в аккумулятор, (рис. 3, з) и тем самым завершается «Исполнение команды». Набор и (или) порядок выполнения операций, в этом цикле уникальны для каждой из команд ЭВМ и будут рассмотрены ниже.