Лекция №1
Литература:
МУ №628 (КР) + МУ по л.р.
Водяхо А.И., Горнец Н.Н., Пузанков Д.В. Высокопроизводительные системы обработки данных: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1997.
С. Орлов, Б. Цилькер Организация ЭВМ и систем – издательство Питер, 2004,2006, 2007.
Вычислительные системы (ВС) и сети представляют собой некий комплекс аппаратных (аппаратную платформу) и программных (системное ПО) средств, позволяющих обеспечить выполнение информационных, вычислительных или управленческих процедур.
Цели создания ВС:
достижение сверхвысокой производительности;
увеличение эффективности использования аппаратных средств системы;
повышение надежности и живучести функционирования средств вычислительной техники.
Поля микрокоманды. Микропрограмма. Переход к следующей микрокоманде в микропрограмме. Микропрограммная память.
Назначение и структура процессора
Процессор (ЦП) представляет собой совокупность арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ) и служит для обработки данных и управления всей компьютерной системой в целом. Он позволяет обрабатывать данные с фиксированной точкой, плавающей точкой, поля переменной длины, а иногда и десятичные данные, назначать приоритеты доступа и управлять различными видами памяти.
В состав ЦП входят арифметическое устройство, счетчик команд, регистр команд, регистры данных, блок микропрограммного или аппаратного управления, регистры общего назначения и ряд узлов, предназначенных для связи с оперативной памятью и другими устройствами компьютера, а также для ускорения выполнения операций. Помимо этого в состав ЦП входят часы астрономического времени, таймер и ряд других «системных» средств.
Система команд. Форматы команд и способы адресации
Для получения результата вычислений компьютер выполняет машинную программу, т.е. последовательность команд, в виде которой записан алгоритм обработки. Команда компьютера представляет собой двоичный код, определяющий как выполняемую операцию, так и необходимые для этого данные, или операнды. Большинство команд содержит адрес, т.е. номер регистра или ячейки памяти, где сохраняется результат выполнения операции. Помимо этого, для выполнения программы нужно также знать адрес следующей исполняемой команды.
Обычно различают следующие группы команд:
команды арифметических операций над числами с фиксированной точкой,
команды логических операций,
команды арифметических операций над числами с плавающей точкой,
команды операций ввода-вывода,
команды управления (управления циклами, условные и безусловные переходы и т.п.) и т.д.
Каждый тип компьютера обладает собственной системой команд, т.е. в нем существует аппаратура или память микропрограмм, призванная вырабатывать управляющие сигналы для реализации командных операций. Естественно, что для выполнения конкретной программы необходим компьютер, способный выполнять команды, составляющие эту программу. При разработке новых компьютеров стремятся сохранить их преемственность; для этого компьютеры выполняют «программно совместимыми». Программная совместимость означает, прежде всего, наличие одинаковых систем команд. Однако во многих случаях систему команд «расширяют», т.е. добавляют дополнительные операции, сохраняя при этом формат команд. Это значит, что новая машина может выполнять все программы, составленные для прежних компьютеров, но программы, в которых используются дополнительные команды, не могут выполняться компьютерами старых моделей. Такую совместимость называют обратной.
Команда, или инструкция (под инструкцией часто понимают конструкцию языка более высокого уровня, но в переводной литературе этот термин используют в качестве синонима термину команда) представляет собой слово, содержащее код выполняемой операции и адреса операндов. Код команды включает несколько полей (поле – последовательность бит, содержащая определенный тип информации). Обычно команда состоит из операционной и адресной частей. В операционной части размещается код операции, а в адресной части – адреса операндов, т.е. информация о местонахождении обрабатываемых данных и получаемого результата.
Формат команды – это структура полей ее кода с указанием номеров разрядов, определяющих границы полей. В универсальных машинах, обычно код операции в команде занимал 8 разрядов, а число различных операций составляло не более 256. Остальные разряды, а команды представляли собой слово размером 16, 32 или 48 разрядов, отводились под адреса операндов.
В различных машинах число адресных полей в команде может составлять от одного до четырех. Структура четырехадресной команды приведена на рис. 5.1.
КОп А1 А2 А3 А4 А4
Рис. 5.1. Структура четырехадресной команды
В такой команде первое поле кода операции (КОп) служит для кодирования выполняемой операции. Это поле «расшифровывается» логическими схемами или посредством микропрограммы и формируются управляющие сигналы для выполнения соответствующих этой операции действий. Затем располагаются четыре адресных поля: А1 – содержит адрес первого операнда, А2 – адрес второго операнда, А3 – адрес ячейки памяти, отведенной для записи результата операции, А4 – адрес ячейки, где находится следующая команда. Но такая четырехадресная команда занимает слишком много места в памяти компьютера, поэтому они в настоящее время не находят применения.
Сегодня наибольшее распространение имеют одно-, двух- и трехадресные команды, структуры которых приведены на рис. 5.2.
КОп А1 А2 А3 
КОп А1 А2 2 
КОп А1 А2 
Рис. 5.2. Структуры одно-, двух- и трехадресных команд
Трехадресные команды характерны для компьютеров с сокращенным набором команд. В трехадресной команде первый и второй адреса указывают месторасположение операндов, в третий адрес – ячейку памяти, куда заносится результат операции.
В таких машинах для определения адреса следующей выполняемой команды служит счетчик команд (IP), к содержимому которого после выполнения любой команды добавляется ее длина в байтах. Для перехода к выполнению команды, которая занимает не следующую по порядку ячейку памяти, в машине предусматривают специальные команды переходов. Трехадресные команды используются в так называемых RISC компьютерах (машинах с сокращенным набором команд); в них операнды размещают в регистрах общего назначения (РОН), число которых может достигать 256. Загрузка этих регистров из памяти осуществляется специальной схемой, называемой контроллером или процессором загрузки.
Наиболее распространены в настоящее время двухадресные компьютеры. Это машины, команды в которых содержат не более двух адресов. Можно представить, что оба операнда находятся в регистрах, а результат выполнения операции мы также будем записывать в регистр. Тогда такую команду принято называть командой RR-типа (регистр-регистр). Если один операнд находится в регистре, а второй в ячейке памяти, адрес которой индексируется, то такая команда относится к RX-типу. Команда, второй операнд которой находится в ячейке памяти без индексации, а первый в регистре, носит название RS-типа.
В команде может находиться не адрес операнда, а сам операнд (этот операнд называют непосредственным адресом, и он представляет константу), такую команду относят к SI-типу. Наконец, оба операнда могут находиться в памяти, для их вызова используют команду SS-типа.
В современном персональном компьютере IBM PC команды также двухадресные, но первый операнд всегда находится в одном из восьми регистров, а второй может находиться в регистре, памяти или непосредственно в самой команде. Помимо кода операции и адресов операндов команда этого компьютера содержит бит, указывающий направление передачи результата (d), бит ширины операнда (w), а также поле указания режима (md) и поле регистр/память (r/m).
В одноадресной машине команда содержит только один адрес, а поскольку обычно в арифметической операции используется два операнда, то второй уже находится в одном из регистров процессора. Результат операции всегда сохраняется в выходном регистре процессора, который называют аккумулятором. Очевидно, что для сложения двух чисел нужно выполнить три одноадресных команды: поместить первый операнд из памяти в регистр процессора, передать второй операнд из памяти и сложить его с первым, а затем сохранить результат в памяти. Однако на практике при выполнении программы никогда не приходится использовать все три команды. В регистре процессора сохраняется один из операндов, полученный при выполнении предыдущей операции (т.е. первая команда не нужна), а результат сложения будет использован следующей командой (т.е. не нужно его сохранять в памяти).
Приведенные на рис. 5.2 форматы команд весьма схематичны. В действительности в адресных полях находятся не сами адреса, а информация, позволяющая их определить. Способ определения исполнительного адреса Аи (т.е. адреса ячейки памяти, где находится операнд или команда) по адресу в коде команды Ак будем называть способом адресации.
Для указания способа адресации в некоторых системах команд используется специальное поле; это позволяет выполнять одну и ту же команду с любым предусмотренным способом адресации, но значительно увеличивает длину команды.
Способы адресации
Обычно в команде имеются поля, указывающие адрес операнда Ак. В этом случае адресацию называют явной. Однако иногда адресное поле в команде отсутствует, а информацию об адресе операнда несет сам код операции. Такую адресацию называют неявной. Ее используют при работе над содержимым аккумулятора или над флагами. Флагами называют признаки результата, которые при выполнении каждой операции заносятся в специальный регистр. Примерами могут служить флаги переполнения, четности и т.п. Общее число флагов зависит от конкретного процессора. Однако наиболее часто используется явная адресация.
Время обращения в память сказывается на общей производительности компьютера, поэтому, чем меньше таких обращений, тем лучше с позиций быстродействия. Если нужно произвести действие с постоянным операндом, значение которого известно в момент трансляции программы, то нет необходимости хранить его в отдельной ячейке памяти; его можно поместить в адресном поле самой команды. Такой способ задания операнда принято называть непосредственной адресацией. Она применяется для задания констант, длина которых меньше адресного поля команды.
Операнды могут находиться и в регистровой, и в оперативной памяти; время обращения зависит от их местоположения. Если операнд находится в регистровой памяти, то время обращения к нему невелико. Именно с целью сокращения времени на обращение к операндам и используют регистровую адресацию. Регистровая адресация в машине IBM PC реализуется при md = 1. Адрес одного из восьми регистров, в котором размещается операнд, определяется полем r/m. Операнд может занимать весь регистр или только его половину в зависимости от значения «w».
Наиболее часто используется прямая адресация. Операнд находится в ОП, а в команде указывается его исполнительный адрес (адресный код команды Ак совпадает с исполнительным адресом Аи). В компьютерах IBM PC в этом поле команды находится не полный адрес, а только так называемое смещение, т.е. 16-битная часть исполнительного адреса. В одном из адресных регистров находится адрес сегмента; исполнительный адрес определяется сложением номера (адреса) сегмента и смещения. Этим удалось избежать самого крупного недостатка прямой адресации, а именно, необходимости слишком длинного адресного поля при большой емкости памяти.
При косвенной адресации в адресном поле команды указывается адрес регистра или ячейки памяти, где находится адрес операнда; этот адрес называют указателем. В случае, когда указатель располагается в регистре, адресацию называют косвенной регистровой, рис. 5.3 (см. дополнительно рисунки). Адрес указателя в команде компьютера остается неизменным, но, меняя сами указатели, можно осуществлять переадресацию данных, что упрощает обработку массивов и списковых структур.
Часто адрес ячейки памяти образуется из нескольких составляющих частей, например, базового адреса (или базы B), индекса (X) и смещения (D). В этих случаях различают базовую, индексную и базово-индексную адресацию. Если адрес, указанный в команде, состоит из двух частей – АB и АСМ, то полный адрес ячейки памяти определяется суммированием содержимого регистра АB, где хранится «база», и смещения АСМ, рис. 5.4 (см. дополнительно рисунки).
Базовая адресация широко используется при создании программ, состоящих из перемещаемых модулей. Базовый (начальный) адрес загружается в регистр, а остальные адреса данного модуля определяются сложением базы и смещения. Это значит, что любая программа может работать с данными, располагаемыми в любой области памяти; для этого нужно изменить только базу.
Аналогично выполняется и индексная адресация. Однако после выполнения обращения к ячейке памяти с адресом A = (AX) + A СМ производится увеличение индекса X, записанного в индексном регистре, на единицу. Так «автоматически» определяется адрес следующего подлежащего обработке элемента в массиве. Использование индексной адресации упрощает создание циклических программ.
Часто используют комбинированную базово-индексную адресацию. В этом случае адрес ячейки памяти определяется суммой содержимого регистров базы и индекса, а также смещения, содержащегося в команде, рис. 5.5 (см. дополнительно рисунки). Иногда используют не сложение, а «сцепление» кодов базы, индекса и смещения. Это значит, что исполнительный адрес A = AB,AX,AСМ.
Для определения адреса следующей команды в IBM PC может быть использована относительная адресация. В этом случае адрес очередной команды представляет собой сумму текущего значения счетчика команд (IP) и смещения из предыдущей команды.
Все виды адресации в компьютере IBM PC определяют место расположения и способ нахождения адреса второго операнда; первый операнд всегда находится в одном из регистров. Для компьютеров IBM PC многочисленные способы адресации отчасти достались «по наследству» от ранних моделей микропроцессоров, когда разрядность была ограничена.
Выбору реализуемой компьютером системы команд должно уделяться самое серьезное внимание. Каждая аппаратно реализуемая операция, входящая в систему команд, выполняется быстрее, чем аналогичная операция, не входящая в систему команд и, следовательно, реализуемая в виде подпрограммы. На первый взгляд из этого следует, что увеличение аппаратно реализуемых операций, т.е. расширение системы команд, может привести к повышению быстродействия машины. Это положение положено в основу концепции архитектуры компьютера с расширенным набором команд – CISC архитектур. Однако в силу ряда причин расширение системы команд может приводить и к обратным результатам. Именно это обстоятельство и послужило толчком для разработки машин с сокращенным набором команд – RISC архитектур.
Система прерываний. Запросы прерываний. Характеристики системы прерываний.