3. Структурная организация вс. Принципы Фон-Неймана.

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления

Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранитсяв данной ячейке памяти - чисчло, текст или команда. Над командами можно выполнять такие жедействия, как и над данными.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения прграммы с использованием присвоенных имен.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

• Устройства ввода/вывода информации

• Память компьютера

• Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ)

Машины, построенные на этих принципах, называются ФОН-НЕЙМАНОВСКИМИ.

4. Архитектура эвм. Архитектура ia-32.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

В рамках архитектуры IA-32 существует и развивается ряд микроархитектур. Ранее было показано, что понятие архитектуры компьютера иерархично и что существуют общие и индивидуальные свойства архитектуры. В контексте обсуждения

архитектуры процессоров Intel имеет смысл также позиционировать различные их архитектурные свойства и принципы как общие и индивидуальные. К индивидуальным архитектурным свойствам и принципам можно отнести существующие в рамках различных микроархитектур (см. далее). Что касается общих архитектурных свойств и принципов IA-32, то к ним относятся те, которые имеют место для всех процессоров Intel или, по крайней мере, существуют вне рамок конкретной микроархитектуры для большого числа моделей процессоров. Так как процессор в основном определяет логику работы компьютера, то и названия большинства общих архитектурных свойств и принципов IA-32 совпадают с названиями аналогичных свойств и принципов компьютера: номенклатура программно-доступных регистров; организация и способы адресации памяти; номенклатура режимов работы процессоров; организация и разрядность внешних интерфейсов ЭВМ; способы представления и форматы данных; набор и форматы машинных команд ЭВМ; порядок обработки прерываний. Практически все эти общие архитектурные свойства и принципы составляют программную модель процессора, которая будет рассмотрена в дальнейшем.

5. Структура процессора. Выполняемые операции.

Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор выполняет команды программы, организует обращения к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие от устройств машины и из вне.

Центральный процессор персонального компьютера содержит следующие устройства:

1) между центральным процессором и оперативной памятью обычно располагается кэш – небольшой объем сверхбыстродействующей оперативной памяти, которая используется для хранения нескольких команд микропроцессора. Независимо от производимых микропроцессором расчетов, специальная схема загружает в эту память код программного обеспечения, прежде чем в нем появится необходимость. Эта небольшая кэш-память помогает процессору работать более быстро без задержек, связанных с ожиданием загрузки очередной команды из оперативной памяти.

2) Арифметическо-логическое устройство процессора производит логические и арифметические операции над данными. В общем случае в АЛУ выполняются логические преобразования над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над отдельными битам, группами бит, байтами и их последовательностями), арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей запятой , над десятичными числами, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины, а также служебные операции по преобразованию (модификации) кодов команд. Характер выполняемой АЛУ операции задается командой программы.

В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных арифметических и логических преобразований или несколько специализированных для отдельных видов операций, например, для операций над кодами команд, над десятичными числами и т.д. последнем случае увеличивается количество оборудования процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем выполнения отдельных операций.

3) Управляющее устройство вырабатывает необходимые управляющие сигналы для выборки очередной команды из памяти, выполнения в АЛУ операции, предусмотренной кодом команды, передачи полученного в АЛУ результата операции в память, инициирования операций ввода-вывода, организации реакции процессора на запросы прерывания, поступающие от узлов самого процессора, других устройств машины, в том числе от периферийных устройств и из внешней Среды.

4) Блок управляющих регистров предназначен для временного хранения управляющей информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении вычислительным процессом.

5) Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора в его состав включают блок регистровой памяти (местную память) небольшой емкости, но высокого быстродействия.

6) Блок связи (интерфейс процессора) организует обмен информацией процессора с оперативной памятью и защиту участков оперативной памяти от недозволенных данной программе обращений, а также связь процессора с периферийными устройствами и внешним оборудованием.

7) Блок контроля и диагностики служит для обнаружения сбоев и отказов в аппаратуре процессора, восстановления работы программы после сбоев и поиска места неисправности при отказах.

6. Структура процессора. Организация регистров.

Регистр процессора — сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения) или содержащая данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д. (специальные регистры).

Регистр представляет собой цифровую электронную схему, служащую для временного хранения двоичных чисел. В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту. Например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд. Программист обратиться к этому регистру не может. Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы (например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов). Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём регистров (объём среднего модуля оперативной памяти сегодня составляет 1-4 Гб[1], суммарная «ёмкость» регистров общего назначения/данных для процессора Intel 80x86 16 битов * 4 = 64 бита (8 байт)).

РЕГИСТРЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ (РОН) предназначены для временного хранения операндов, поскольку все действия над операндами АЛУ выполняет только тогда, когда они помещены в РОНы. В РОНы заносятся также результаты вычислений. Хранение операндов в РОНах повышает быстродействие, потому что не требуется циклов обращения к памяти.

Основная статья: Регистры процессора

По назначению регистры процессора различаются на:

аккумулятор — используется для хранения промежуточных результатов арифметических и логических операций и инструкций ввода-вывода;

флаговые — хранят признаки результатов арифметических и логических операций;

общего назначения — хранят операнды арифметических и логических выражений, индексы и адреса;

индексные — хранят индексы исходных и целевых элементов массива;

указательные — хранят указатели на специальные области памяти (указатель текущей операции, указатель базы, указатель стэка);

сегментные — хранят адреса и селекторы сегментов памяти;

управляющие — хранят информацию, управляющую состоянием процессора, а также адреса системных таблиц.