- •6.050201 «Системная инженерия»
- •Донецк, 2012
- •1 Цели и задачи дисциплины
- •2 Теоретические основы программирования
- •2.1 Основные сведения в области информатики Общее понятие алгоритма
- •Алгоритмические языки
- •Типы переменных
- •Целочисленные переменные
- •Кольцо вычетов по модулю m
- •Интерпретация положительных и отрицательных чисел
- •Вещественные переменные
- •Машинный эпсилон
- •Запись вещественных констант
- •Символьные переменные
- •Логические переменные и выражения
- •Массивы
- •Текстовые строки
- •Оперативная память
- •Процессор
- •Cisc и risc-процессоры
- •Алгоритм работы компьютера
- •Аппаратный стек
- •Команды вызова подпрограммы call и возврата return
- •Аппаратный стек и локальные переменные подпрограммы
- •2.2. Стандарты построения блок-схем алгоритмов
- •4 Компиляция и выполнение программ
- •5 Структурное программирование
- •5.1 Описание переменных
- •Константы
- •Целые числа
- •Вещественные числа
- •Логические величины
- •Символы и байты
- •Кодировка, многобайтовые символы
- •5.2 Основные операции и их приоритет
- •Порядок вычисления выражений
- •5.3 Операторы
- •Операторы цикла
- •5.4 Организация ввода-вывода
- •Манипуляторы и форматирование ввода-вывода
- •Строковые потоки
- •Ввод-вывод файлов
- •5.5 Массивы
- •5.6. Указатели и операции над ними
- •5.7 Ссылки
- •5.8 Динамическое выделение памяти
- •5.9 Функции
- •Подставляемые функции
- •Имена функций
- •Необязательные аргументы функций
- •Рекурсия
- •Назначение шаблонов
- •Функции-шаблоны
- •5.10 Область видимости имен
- •5.11 Сложные структуры данных
- •5.11.1 Структуры
- •5.11.2 Перечисления
- •5.11.3. Объединения
- •5.12. Динамические структуры данных
- •6 Препроцессор
- •Определение макросов
- •Условная компиляция
- •Дополнительные директивы препроцессора
- •7 Объектно-ориентированное программирование
- •7.1 Основные понятия объектно-ориентированного программирования
- •Определение методов класса
- •Виртуальные методы
- •Виртуальные методы и переопределение методов
- •Преобразование базового и производного классов
- •Внутреннее и защищенное наследование
- •Абстрактные классы
- •Множественное наследование
- •Виртуальное наследование
- •Интерфейс и состояние объекта
- •Объявление friend
- •7.2 Конструктор и деструктор класса
- •Копирующий конструктор
- •Деструкторы
- •Инициализация объектов
- •Операции new и delete
- •7.3 Перегрузка операций
- •Как определять операции
- •Преобразования типов
- •Явные преобразования типов
- •Стандартные преобразования типов
- •Преобразования указателей и ссылок
- •Преобразования типов, определенных в программе
- •7.4 Использование включаемых файлов
- •7.5. Шаблоны классов
- •"Интеллигентный указатель"
- •Задание свойств класса
- •8 Обработка исключительных ситуаций
- •Примеры обработки исключительных ситуаций
- •Список использованных источников
Процессор
Процессор является основой любого компьютера. Это большая микросхема, содержащая внутри себя сотни тысяч или даже миллионы элементов. Современные процессоры чрезвычайно сложны и могут содержать несколько уровней построения и описания. Так, можно различать внешние команды процессора в том виде, в котором они используются в программах и записываются в оперативной памяти, и внутренний микрокод, применяемый для реализации внешних команд. Процессор может содержать внутри себя устройства, предназначенные для ускорения работы, — конвейер команд, устройство опережающей выборки из памяти, кеш-память и т.п.
Рассмотрим лишь самые общие принципы построения и работы процессора, которые одинаковы как для примитивных, так и для самых современных процессоров.
Любой процессор имеет устройство, выполняющее команды, и собственную внутреннюю память, реализованную внутри микросхемы процессора. Она называется регистрами процессора. Имеется 3 типа регистров:
общие регистры хранят целые числа или адреса. Размер общего регистра совпадает с размером машинного слова и в 32-разрядной архитектуре равен четырем байтам. Число общих регистров и их назначение зависит от конкретного процессора. В большинстве Ассемблеров к ним можно обращаться по именам R0, R1, R2, ...Среди общих регистров имеются регистры специального назначения: указатель стека SP (Stack Pointer), счетчик команд PC (Program Counter) и др.;
регистр флагов содержит биты, которые устанавливаются в единицу или в ноль в зависимости от результата выполнения последней команды. Так, бит Z устанавливается в единицу, если результат равен нулю (Zero), бит N — если результат отрицательный (Negative), бит V — если произошло переполнение (oVerflow), бит С - если произошел перенос единицы из старшего или младшего разряда (Carry), например, при сложении двух целых чисел или при сдвиге. Значения битов в регистре флагов используются в командах условных переходов;
плавающие регистры содержат вещественные числа. В простых процессорах аппаратная поддержка арифметики вещественных чисел может отсутствовать. В этом случае плавающих регистров нет, а операции с вещественными числами реализуются программным путем.
Команды, или инструкции, процессора состоят из кода операции и операндов. Команда может вообще не иметь операндов или иметь один, два, три операнда. Команды с числом операндов большим трех встречаются лишь в процессорах специального назначения (служащих, например, для обработки сигналов) и в обычных архитектурах не используются. Чаще всего применяются двухадресные и трехадресные архитектуры: к двухадресным относятся, к примеру, все процессоры серии Intel 80x86, к трехадресным — серии Motorola 68000. В двухадресной архитектуре команда сложения выглядит следующим образом:
add X, Y
что означает
X := X + Y,
т.е. один из аргументов команды является одновременно и ее результатом. Этот аргумент называется получателем (destination). Аргумент, который не меняется в результате выполнения команды, называется источником (source). Среди программистов нет единого мнения о том, в каком порядке записывать аргументы при использовании Ассемблера, т.е. в символической записи машинных команд. Например, в Ассемблере "masm" фирмы IBM для процессоров Intel 80x86 получатель всегда записывается первым, а источник вторым. Ассемблер "masm" используется в операционных системах MS DOS и Windows. В Ассемблере "as", который входит в состав компилятора "gcc" и используется в системах типа Unix (Linux и т.п.), получатель всегда является последним аргументом. Та же команда сложения записывается в "as" как
add Y, X
что означает сложить Y и X и результат записать в X.
В трехадресной архитектуре команда сложения имеет 3 операнда:
add X, Y, Z
Получателем в трехадресной архитектуре обычно является третий аргумент, т.е. в данном случае сумма X+Y записывается в Z.
Операндами команды могут быть регистры или элементы памяти. В действительности, конечно, процессор всегда сначала копирует слово из памяти в регистр, который может быть либо явно указан в команде, либо использоваться неявно. Операция всегда выполняется с содержимым регистров. После этого результат может быть записан в память либо оставлен в регистре. Например, при выполнении команды увеличения целого числа на единицу
inc X
в случае, когда операнд X является словом оперативной памяти, содержимое слова X сначала неявно копируется во внутренний регистр процессора, затем выполняется его увеличение на единицу, и после этого увеличенное значение записывается обратно в память.
Имеется несколько способов задания операнда, находящегося в оперативной памяти, они называются режимами адресации. Это
абсолютная адресация - когда в команде указывается константа, равная адресу аргумента;
косвенная адресация - когда в команде указывается регистр, содержащий адрес аргумента;
относительная адресация - адрес аргумента равен сумме содержимого регистра и константы, задающей смещение;
индексная адресация с масштабированием - адрес аргумента равен сумме содержимого базового регистра, константы, задающей смещение, а также содержимого индексного регистра, умноженного на масштабирующий множитель. Масштабирующий множитель может принимать значения 1, 2, 4, 8. Этот режим удобен для обращения к элементу массива.
Бывают и другие, более изощренные, режимы адресации, когда, например, адрес аргумента содержится в слове, адрес которого содержится в регистре (так называемая двойная косвенность).