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	031 031 031 031 031 031 031 031 031 031 031 031 031 031 031 031	063 063 063 063

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.