Основы электронной вычислительной техники

3. Основы электронной вычислительной техники

3.1 Основные функциональные устройства ЭВМ  Электронная вычислительная машина (ЭВМ), называемая иногда компьютером, является основным техническим средством информационных систем. Она должна выполнять основные этапы обращения информации:  - осуществлять ввод данных;  - сохранять данные;  - осуществлять выборку, переработку данных, включая математические расчеты, выборку и упорядочение данных и другие функциональные преобразования;  - производить вывод результатов обработки в необходимой пользователю форме (текст, графические изображения, акустические сигналы, управляющие сигналы).  Указанные операции определяют основные устройства ЭВМ. Упрощенная функциональная схема ЭВМ приведена на рис. 3.1.  Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является главным устройством ЭВМ. В нем происходит выполнение операций по преобразованию данных. В составе АЛУ имеются внутренние ячейки памяти - регистры. АЛ У выполняет арифметические и логические операции, операции сдвига и пересылки данных, сравнения и множество других операций преобразования информации. Вся необходимая операции информация содержится в специальной инструкции для АЛУ - машинной команде.  Данные (операнды), с которыми оперирует команда АЛУ, поступают в него изоперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Оно называется оперативным, потому что скорость выборки из него данных или посылки в него результатов происходит в темпе работы АЛУ, т.е. в соответствии с режимом выполнения машиной одной операции за один рабочий такт. Для выполнения машинной операции АЛУ должно быть настроено на выполнение именно этой операции, а ОЗУ должно получить указание, какие операнды послать в АЛУ (откуда их взять) и куда принять результат.  ОЗУ разделено на отдельные ячейки памяти. В каждой ячейке содержится одно данное или его часть. Каждая ячейка имеет собственный адрес (все ячейки пронумерованы от 0 до ЛМ). При обращении к ячейке в команде указывается ее адрес. В современных ЭВМ ячейка ОЗУ представляет собой восьмиразрядное двоичное слово - байт. В байте можно сохранить один текстовый символ. Числа и символьные строки могут занимать в ОЗУ несколько подряд расположенных байт.  Размер памяти в вычислительной технике измеряется числом байт или в более крупных единицах: килобайтах (К), мегабайтах (М), гигабайтах (Г) и терабайтах (Т). Для вычислительной техники, работающей с двоичными числами, более удобно представление значений единиц измерения памяти как степень двойки, так что  1 Кбайт = 2ю байт = 1024 байт;  1 Мбайт = 220 байт = 1024 Кбайт = 1048576 байт;  1 Гбайт = 230байт = 1024 Мбайт = 1073741824 байт;  1 Гбайт = 240байт= 1024 Гбайт = 1099511627766 байт.  Вместимость оперативной памяти современных ЭВМ составляет несколько десятков и даже сотен мегабайт. В оперативной памяти хранятся программы, которые выполняются в данное время ЭВМ, и данные, которые используют эти программы.  Когда из ячейки ОЗУ берутся данные (считываются), содержимое ее не меняется. Когда данные посылаются в ячейку ОЗУ (записываются), то ранее записанное значение заменяется новым, а старое теряется.  Устройство управления (УУ) служит, прежде всего, для управления работой АЛУ. Вычислительный процесс представляется в ЭВМ программой — последовательностью команд, записанных в ОЗУ в порядке выполнения. Устройство управления выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какую операцию должно выполнить АЛУ, определяет адреса операндов команды, помещает операнды в АЛУ, где они обрабатываются. Устройство управления - главный руководитель вычислительного процесса. Быстродействие УУ должно быть согласовано с темпом работы АЛУ, поэтому конструктивно УУ и АЛУ выполняются в одном устройстве - процессоре.Современные процессоры реализуются в виде сверхбольших интегральных схем и имеют быстродействие порядка нескольких миллионов операций в секунду. В ЭВМ первого поколения УУ руководило работой внешних запоминающих устройств и устройств ввода-вывода. В современных ЭВМ внешние устройства имеют собственные процессоры - контроллеры.  Вместимость ОЗУ не позволяет хранить в ЭВМ все программы и данные, кроме того, они не используются все сразу. Для хранения программ и данных, которые пока не нужны, в ЭВМ используются внешние запоминающие устройства (ВУ). Это устройства электромеханического типа (в них есть подвижные части). Быстродействие ВУ значительно меньше, но они во много раз вместительнее и дешевле, чем ОЗУ. Кроме того, ВУ сохраняют записанную в них информацию долгое время, даже при отключенном электропитании.  Наибольшее распространение среди ВУ получили магнитные диски (МД), вместимость их достигает нескольких десятков гигабайт. МД бывают жесткие (ЖМД), они установлены в ЭВМ постоянно, и гибкие - дискеты (ГМД), которые можно вынимать и переносить данные на другой компьютер. Для распространения программ используются также съемные лазерные МД{компакт-диски). Вместимость их несколько сотен мегабайт при размерах, сравнимых с ГМД, и большая скорость считывания данных. Но они используются только для чтения данных. В последнее время стали применяться лазерные диски с возможностью записи.  В более старых ЭВМ использовались накопители на магнитных лентах (МЛ) имагнитных барабанах (МБ). Сейчас они почти не применяются из-за сравнительно невысокого быстродействия. Исключение составляют кассетные ленточные накопители - стриммеры. На одном носителе, размером чуть больше аудиокассеты, размещается до двух гигабайт информации.  При работе ЭВМ внешние устройства не имеют информационной связи непосредственно с АЛУ, данные с них считываются в ОЗУ и записываются из ОЗУ по мере необходимости порциями (секторами) размером несколько сотен и тысяч байт. Это дает возможность обрабатывать программой данные, размер которых даже превышает вместимость ОЗУ.  Устройства ввода и устройства вывода служат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для общения пользователя с компьютером. Типичными устройствами ввода и вывода являются клавишное устройство и монитор (дисплей), печатающие устройства (принтеры), манипуляторы типа «мышь». Ранее применялись устройства ввода с перфокарт и перфолент, сейчас это уже история ЭВМ. При управлении технологическими процессами измерительные приборы с /цифровым выходом используются как устройства ввода, а устройства вывода выдают коды управляющих сигналов для воздействия на технологический процесс.  Функциональные схемы современных ЭВМ значительно сложнее. В них используются дополнительные устройства для согласования работы отдельных функциональных частей — системный интерфейс. Это дает возможность обеспечить параллельную работу процессора и ВУ и увеличивает производительность вычислительной системы.

3.2 АрхитектураЭВМ. ПринципыДж. фонНеймана  Под архитектурой обычно понимают концепцию, определяющую структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов вычислительной системы. В 1945 г. математиком Джоном фон Нейманом были предложены основные принципы логической организации ЭВМ безотносительно ее элементной базы, которые не утратили своего значения до настоящего времени. Большинство современных ЭВМ построены по архитектуре Дж. фон Неймана.  Джон фон Нейман (1903-1956) получил математическое образование в Венгрии, но во время второй мировой войны эмигрировал в США. Как математик он внес значительный вклад в квантовую механику и создал математическую теорию игр. Интерес фон Неймана к компьютерам связан с его непосредственным участием в Манхеттенском проекте по созданию атомной и водородной бомб. Эти работы требовали весьма сложных расчетов. В конце 1944 г. он был подключен в качестве научного консультанта к разработке ЭВМ EDVAC (см. раздел 4).  Творчески обобщив материалы по разработке ЭВМ, фон Нейман в 1945 г. подготовил отчет, который содержал превосходное описание самой машины и ее логических возможностей. В развитии этого отчета концепция архитектуры ЭВМ неймановского типа была опубликована в 1946 г. в основополагающей работе Дж. фон Неймана, А. Беркса и Г. Голдстейна «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».  Вот эти основные принципы:  1) программное управление работой ЭВМ. Программа состоит из шагов-команд, команда выполняет единичный акт преобразования информации. Весь набор команд образует язык ЭВМ или систему команд;  2) реализация условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на другой участок программы в зависимости от полученных в предыдущей команде результатов. Этот принцип позволяет осуществить разветвление в вычислениях и циклическое выполнение части программы с автоматическим выходом из цикла. Использование этого принципа значительно сокращает количество команд в программе, т.е. ее длину;  3) принцип хранимой программы. Это самый важный принцип. Команды должны кодироваться в числовой форме, а программа во время выполнения должна располагаться в той оке памяти, что и данные. Для АЛУ и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ней можно провести арифметическую операцию, изменив ее. В дальнейшем эта команда может выполняться. Значит, программа в процессе выполнения может менять саму себя, что представляет дополнительные возможности по управлению вычислительным процессом. Кроме того, одна программа может использовать другую в качестве исходных данных и преобразовывать ее в другую форму. На этом преобразовании основаны все системы автоматизации программирования;  4) использование двоичной системы счисления существенно упрощает техническую реализацию ЭВМ. Двоичная система счисления близка к оптимальной по числу элементов (см. 2.8), а двоичный элемент легко технически реализуется. Двоичные схемы конструируются с использованием аппарата математической логики. Арифметические и другие операции легко реализуются через логические операции в двоичной системе;  5) принцип иерархической организации памяти. Оперативная память строится на быстродействующих и дорогих электронных элементах. Иерархическое (многоуровневое) построение памяти ЭВМ позволяет иметь быстродействующее ОЗУ сравнительно  \небольшой вместимости только для размещения программы и данных, необходимых в данный момент и ближайшее время. Остальные программы и данные хранятся на внешних устройствах (МД, МБ, МЛ). Иерархическая организация памяти разрешает противоречие между вместимостью и быстродействием, а также стоимостью отдельных устройств памяти.  Функциональная схема ЭВМ, приведенная на рисунке 3.1, — типичная машина с архитектурой фон Неймана. Современные супер-ЭВМ часто имеют другие модели вычислений и строятся по оригинальной архитектуре.

3.3 Основные понятия математической логики  Для описания логических схем, составляющих основу любого устройства ЭВМ, используется аппарат математической логики (булевой алгебры). Она была разработана математиком Джорджем Булем (см. 4.3). Математическая логика дает формальные правила описания и преобразования логических величин. Логические величины принимают только два значения, которые могут обозначаться как:  ИСТИНА, true, да, Yes,+, 1, включено,   on,  ЛОЖЬ,     false, нет, No, —, 0, выключено, off и т.д.  Булева алгебра определяет операции, которые можно использовать влогических выражениях (функциях). Результатом логического выражения является тоже логическая величина. Основные логические операции легко понять на основе высказывания - фразы на естественном языке, в отношении которой имеет смысл говорить об истинности или ложности события, описываемого этой фразой.  Примеры высказываний: «Сегодня идет дождь» или «Вчера занятий не было».Первое высказывание истинно, если действительно сейчас дождливая погода, но, если светит солнце, то это высказывание ложно.  Одноместная операция - отрицание (НЕ, NOT), обозначаемая символом (--), меняет значение операнда на противоположное, например, -- «Сегодня идет дождь» имеет значение ЛОЖЬ, когда погода дождливая. Это эквивалентно высказыванию «Сегодня не идет дождь».  Основными двуместными логическими операциями являются: - конъюнкция (И, AND - логическое умножение), обозначаемая символом (&);  - дизъюнкция   (ИЛИ, OR - логическое сложение), обозначаемая символом (V).  Операция конъюнкции дает результат ИСТИНА только, тогда, когда истинны оба операнда. Опишем эту операцию через высказывания. Определим переменные: А = «Получил стипендию», В = «Получил перевод из дома», С =«Могу купить новые джинсы». Выражение С =-- А & В будет истинным, когда студент сложит вместе деньги от стипендии и перевода, так как суммы из одного источника не хватит на покупку. Такой же результат будет у сложного высказывания «Могу купить новые джинсы, когда получу стипендию И перевод».  Операция дизъюнкции дает результат ИСТИНА, когда значение ИСТИНА имеет хотя бы один операнд или оба вместе. Пусть у студента более скромные запросы на покупку, и С = «Куплю еще пару дискет для компьютера». Тогда С = А V В будет иметь значение ИСТИНА, когда студент получит деньги хотя бы из одного источника, а если по счастью случатся перевод и стипендия, желание студента тоже будет исполнимо. Эквивалентное высказывание для этой ситуации - «Куплю еще пару дискет, если получу перевод из дома ИЛИ стипендию».  Однако сложное высказывание «Вечером я пойду к подруге или на концерт»надо признать ложным, когда высказывания «Пойду к подруге» и «Пойду на концерт» оба принимают истинное значение - невозможно одновременно осуществить оба желания. Несмотря на союз ИЛИ в сложном высказывании, здесь используется не операция ИЛИ, а еще одна логическая операция —исключающее ИЛИ.  Результат логической операции выражают обычно таблицей истинности, в которой отмечают значение результата в зависимости от набора значений операндов. Ниже на рисунке 3.2 приведены таблицы истинности для трех логических операций.  Для двух логических переменных возможно 16 различных логических операций. Доказано, что любую из таких операций можно выразить в виде формулы, в которой используются только операции отрицания, конъюнкции и дизъюнкции, эти операции считаются базовыми в булевой алгебре.  Используя логические переменные и операции, можно строить сложные выражения с использованием любого числа переменных. Выражение для п переменных будет иметь в таблице истинности 2" конкретизации. Последовательность выполнения операций в сложном выражении определяется приоритетом операций. Наивысший приоритет имеет операция отрицания, затем конъюнкция, дизъюнкция - операция низшего приоритета (сравните с операциями изменения знака числа, умножения и деления). Изменение последовательности выполнения операций регулируется скобками, как в обычном алгебраическом выражении.  В булевой алгебре определены эквивалентные преобразования выражений, позволяющие раскрывать скобки и приводить логические выражения к форме с минимальным числом операций {минимальным формам).

3.4 Логические схемы для арифметических операций  Двоичное кодирование чисел и математическая логика используют одинаковый двоичный алфавит (0,1). Это позволяет легко реализовать арифметические действия над двоичными числами логическими операциями. На рис. 3.3 приведены таблицы сложения и умножения одноразрядных двоичных чисел.  Нужно сконструировать из этих элементов схему, которая осуществляет выдачу истинных сигналов в соответствии с операцией сложения и генерирует сигнал переноса. Такая схема получила название полусумматор и приведена на рис 3.5. Схема имеет два устройства И и по одному устройству НЕ и ИЛИ. Полусумматор складывает два одноразрядных двоичных числа и имеет два выхода: для суммы и единицы переноса.  Умножение в двоичной системе полностью совпадает с логической операцией И, а сложение похоже на операцию ИЛИ. При арифметическом сложении двух единиц результат равен нулю, но образуется единица переноса в старший разряд числа. На рис. 3.3 фактически изображены таблицы истинности для результатов двоичных арифметических операций. Значит, арифметические операции можно реализовать логическими выражениями с использованием базовых логических операций.  Будем изображать устройства, реализующие базовые логические операции, обозначениями, приведенными на рис. 3.4.  Правильность работы схемы полусумматора можно проверить таблицей истинности (рис. 3.6).  При сложении промежуточных разрядов многоразрядного числа необходимо учитывать и добавлять единицу переноса из предыдущего разряда в следующий.  Полный сумматор будет сложнее, поскольку он должен иметь вход для сигнала переноса из предыдущего разряда, кроме того, добавление переноса может вызвать появление сигнала переноса в следующий разряд. На рис. 3.7 дана таблица истинности одноразрядного сумматора.  Полный сумматор может быть реализован на двух полусумматорах (рис. 3.8).  Первый полусумматор (ПС) складывает слагаемые А, и В, разряда, второй - добавляет к сумме единицу переноса из предыдущего разряда Р. Перенос Р образуется при сложении двух единиц или при сложении единицы и нуля и переноса Р из предыдущего разряда, поэтому выходы переноса обоих полусумматоров соединяются схемой ИЛИ.  Другая реализация одноразрядного сумматора показана на рисунке 3.9. Схема сумматора разделена на три части. В верхней части обрабатываются бит переноса от предыдущего разряда и один из входов. В нижней части обрабатываются два входа и приходящий бит переноса.  Операция умножения двоичных чисел производится поразрядно:  Поскольку умножение на единицу не меняет значения числа, а умножение на 0 дает нулевое значение, поразрядное умножение двоичных чисел сводится к операции сдвига множимого на один разряд влево и прибавлению его к ранее полученной сумме, если соответствующий разряд множителя равен 1. Значит, операцию умножения может проводить тот же сумматор и отдельного устройства для умножения в двоичной ЭВМ не требуется.  Схемы для реализации логических элементов. Можно найти множество физических электромагнитных явлений для реализации двоичных логических элементов. Например: низкий потенциал на выходе схемы - 0, высокий -1; ферромагнитное кольцо намагничено в одном или другом направлении; ток в цепи проходит или нет. Наибольшее распространение в современной вычислительной технике находят потенциальные схемы на транзисторах и диодах. Транзисторы в логических схемах работают в режиме переключения (открыт - закрыт). На них легко реализуются базовые логические операции. Реальные транзисторные ячейки делаются более сложными, они могут иметь более двух входов и выполнять логические функции более чем с двумя операндами.  Для хранения двоичных кодов используются регистры, которые состоят из триггерных ячеек. Триггер основан на двух-каскадном транзисторном усилителе, выход которого соединен с его входом. Он имеет два устойчивых состояния: первый транзистор закрыт, второй открыт или наоборот первый транзистор открыт, второй закрыт. Триггер имеет два входа (S - установка, R - сброс). Единичные значения сигналов на этих входах переводят триггер в состояния I и 0. В регистре триггеры соединены  в цепочку. Специальный регистр сдвига позволяет осуществлять поразрядную операцию сдвига кода.  Подробное объяснение на примере работы элементной базы того, как внутри ЭВМ производятся арифметические и логические действия, не является нашей целью, тем более что элементная база все время меняется.  Интегральные схемы. Современная микроэлектроника позволяет разместить на одной пластине кремния большое число отдельных переключающих элементов (транзисторов). Такое устройство является интегральной схемой (Integrated Circuits -1С). По числу элементов в одном корпусе различают:интегральные схемы — ИС, большие интегральные схемы — БИС исверхбольшие интегральные схемы — СБИС. Современная технология изготовления ИС позволяет получить размер одного элемента ИС (транзистора) порядка 0.18 мкм (1 мкм = 106 м). В будущем предстоит переход на технологии 0.13 микрометра. Высокая степень интеграции позволяет увеличить производительность оборудования при одновременном снижении стоимости.  В настоящее время ставится цель достичь интеграции 106 107 переключающих и запоминающих элементов (мегачип). Плотность клеток мозга человека составляет 10 бит/м. Еще большая плотность памяти характерна для гена — 1027 бит/м. В таблице 3.1 представлена эволюция плотности узлов ЭВМ.  Процессоры современных ЭВМ реализуются на одной СБИС. Основными их производителями являются фирмы Intel, Motorolla и Digital (все США). Фирма Intel в 1999 г. выпустила микропроцессор Pentium III, работающий на частоте 600 МГц, а фирма Digital в 1997 г. создала 64-разрядный микропроцессор  Если бы за последние 25 лет авиационная промышленность развивалась столь же стремительно, как и компьютерная техника, то Боинг 747 можно было купить за 500 долларов, облететь на нем земной шар за 20 мин, израсходовав при этом 19 г горючего.  Alpha ЛХР с тактовой частотой 600 МГц, на кристалле которого размещено более девяти миллионов транзисторов. Из них два миллиона приходится на сам процессор, а остальные на внутреннюю (кэш) память.  В 1965 году один из будущих руководителей компании Intel Гордон Мур сделал предсказание, что плотность элементов на кремниевом кристалле будет удваиваться каждые полтора-два года с соответствующим возрастанием производительности процессора. «Закон Мура» с некоторыми оговорками действует до сих пор (рис. 3.10).

3.5 Понятие окомбинационной схеме и конечном автомате  Поскольку любая алфавитная (буквенно-цифровая) информация может быть закодирована в двоичной форме, то подобным образом могут быть закодированы условия и решения задач из любой области знаний. Если число таких задач конечно (хотя и может быть велико), то существует максимальная длинна т кода условий этих задач и максимальная длина п ~ кода их решений. Решения всех заданных задач (в двоичном коде) могут быть выражены из ее условий с помощью системы булевых функций [5]:  y,=fi(x],x2,...,xm), i = 1,...,n.  В свою очередь все эти функции могут быть выражены через элементарные булевы операции, образующие функционально полную систему булевых функций (И, ИЛИ, НЕ). Каждая булева операция реализуется логическим элементом. Соединение логических элементов образует устройство, реализующее некоторую булеву функцию. Это устройство называетсякомбинационной схемой (КС).  В КС совокупность выходных сигналов (слово Y) в любой момент времени однозначно определяется входным сигналом (слово ^), поступающим на входы в тот же момент времени. Выходное слово зависит только от комбинации входных сигналов в тот же момент времени.  Комбинационная схема может использоваться для вычисления сколь угодно сложной функции (например, у = sin(х)). В двоичных кодах точность вычисления определяется длиной кода. На практике оказывается, что такие КС получаются слишком сложными. Поэтому сложные вычисления в ЭВМ реализуются другим, алгоритмическим способом.  Другой более сложный класс преобразователей дискретной информации составляют конечные автоматы (КА). КА, в отличие от КС, имеет конечное число различных внутренних состояний. Выходное слово КА определяется в общем случае входным словом, поступившим на его вход в данный момент времени, и текущим внутренним состоянием КА.  Текущее состояние КА может изменяться в зависимости от входного воздействия в предыдущие такты работы. Под воздействием входного сигнала КА переходит из одного состояния в другое и выдает выходное слово. Можно считать, что конечный автомат - это КС с перестраиваемой структурой. Состояние КА можно фиксировать, если снабдить КС элементами памяти (П).  Структурная схема КА представляет собой сочетание двух КС и устройства памяти (рис. 3.12).  Состояние КА передается сигналом Uна входы КС2 и по цепям обратной связи на КС1. На входы обоих КС поступают также входные сигналы X. Выходное слово Yвырабатывается в КС2. Выходные сигналы Vот КС1 приводят память конечного автомата в новое состояние.  Для работы КА нужна четкая синхронизация его устройств. Это достигается тем, что все входные и выходные сигналы учитываются только в дискретные моменты времени с помощью синхронизирующих сигналов.  Любой КА характеризуется функцией выходов Y = A(X,U) и функцией переходов U= B(U,X)  Обычноэлемент памяти КА - это двоичный регистр. На входы его подается двоичный сигнал V. Как правило, U= V, это упрощает КА.  КА, в отличие от КС, позволяет формировать последовательность выходных слов в течение нескольких тактов работы, т.е. является многотактной комбинационной схемой с изменением функции КС2 в зависимости от состояния КА (т.е. с перестройкой или изменением ее функции).  Автоматные отображения. Считая входные и выходные сигналы комбинационной схемы двоичными кодами букв некоторых алфавитов Xи Y,мы получаем возможность интерпретировать результаты работы такой схемы как некоторое отображение слов алфавита Xв слова в алфавите Y. Оно носит название автоматного отображения и зависит не только от схемы КА, но и от его начального состояния. Можно задать любую конечную таблицу соответствия между словами в алфавитах Xи Yс помощью КА. Процедуру построения КА для данного соответствия называют синтезом КА.  Для построения сложных преобразований дискретной информации требуется дальнейшая специализация их внутреннего строения и, в первую очередь, структуризация памяти и систем преобразуемых данных. Это позволяет реализовать процедуры данного синтеза КА.  Комбинация запоминающих элементов и КС позволяет, наряду с параллельной обработкой n-битных слов осуществлять последовательную обработку. С помощью запоминающего узла  промежуточные результаты могут запоминаться, и те же самые КС могут снова использоваться для вычисления следующих промежуточных результатов. Так устроен последовательный сумматор. В нем имеется один сумматор, который последовательно складывает двоичные разряды операндов. Последовательный принцип выполнения операций позволяет упростить КС для проведения операций. Однако при этом увеличивается время выполнения операции (п тактов).  Основные функции, выполняемые КА в ЭВМ. Центральный процессор компьютера - это несколько конечных автоматов. Для построения универсальной ЭВМ они должны выполнять набор функций, из которых молено составить любой алгоритм. Эти функции называются командами. Переходы в устройствах ЭВМ осуществляются выполнением команд. Возможности переходов описываются набором команд.  Команда — операция, осуществляющая действие с данными (операндами). ЭВМ одного типа имеет фиксированный набор команд. Для каждой команды в аппаратуре ЭВМ имеется своя часть для исполнения.  Стандартный набор команд включает операции:  - передачи данных;  - арифметические;  - логические;  - сравнения;  - сдвига;  - переходов и вызова подпрограмм;  - ввода-вывода;  - управляющие (для изменения статуса программы).  Для выполнения алгоритма он должен быть представлен набором шагов, реализуемых командами. Последовательность команд, реализующих алгоритм на ЭВМ, называется программой.

3.6 Представлени екоманд в ЭВМ  Под командой понимается закодированная информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов, формируемых в УУ процессора, для выполнения АЛУ одной операции программы.  Команда представляет собой код, определяющий операцию процессора и данные, участвующие в операции. Она содержит также в явной или неявной форме сведения, куда направляется результат. В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация об адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся. В общем случае команда состоит из операционной и адресной частей.  Операционная часть содержит код операции (КОП), который задает действие (сложение, пересылка, сдвиг, переход в программе и т.д.). Адресная часть команды содержит информацию об адресах операндов и результатах операции, а в некоторых случаях сведения об адресе следующей команды.  Структура команды определяется составом, назначением и расположением полей в команде. Чтобы команда задавала в явном виде всю необходимую для вычислений информацию, она должна содержать код операции и четыре адреса. Они указывают ячейки памяти, содержащие два операнда, участвующие в операции, ячейку, в которую помещается результат, и ячейку, содержащую адрес следующей команды (рис. 3.12, а). Такой порядок выборки команд называется принудительным, он использовался в самых первых моделях ЭВМ.  В настоящее время используется естественный порядок выполнения команд: следующей исполняется команда, находящаяся в памяти непосредственно за выполненной командой. Этот порядок иногда нарушается командами перехода в программе.  Операция и адреса операндов кодируются в команде двоичными числами. Количество разрядов этих чисел зависит от числа операций процессора и размера адресуемой памяти. Современные микропроцессоры выполняют несколько сот различных операций, КОП занимает в их командах 8—10 двоичных разрядов, и допускается 32-разрядная адресация памяти. При таких показателях отдельных частей длина трехадресной команды будет составлять: 10 + 3 * 32 = 109 двоичных разрядов или 14 байт.  В современных ЭВМ используется более сложный принцип адресации: в команде размещается не исполнительный адрес операнда, а специальныйадресный код. Этот код содержит несколько полей и указывает на адресные (базовые и индексные) регистры, в которых содержатся составные части исполнительного адреса. На основе этих данных процессор вычисляет исполнительный адрес операнда. Усложнение адресации сократило длину команды до 4-6 байт при сохранении 32-разрядного исполнительного адреса и позволило динамически во время выполнения программы, не меняя адресного кода, адресоваться к различным ячейкам памяти (перемещаемые в памяти программы).  Прямая и косвенная адресация. Ранг адресации. До сих пор считалось, что исполнительный адрес, вычисленный процессором, дает адрес операнда, участвующего в операции команды. Такая адресация получила названиепрямой адресации или адресации первого ранга. В ЭВМ применяется также косвенная адресация, когда исполнительный адрес указывает на ячейку памяти, в которой записан не операнд, а адрес операнда, т.е. в команде кодируется адрес адреса. Косвенная адресация позволяет сделать программу более гибкой и универсальной. Это адресация второго ранга. Ранг адресации показывает число обращений к оперативной памяти, чтобы извлечь операнд. Можно, в принципе, использовать адресацию третьего (адрес адреса) и более высоких рангов, но они пока не применяются.  Часто бывает полезно задавать в команде вместо адреса сам операнд(непосредственная адресация). Поскольку обращение к памяти для такого операнда не требуется, непосредственное размещение операнда в команде может считаться адресацией нулевого ранга.