- •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
Cisc и risc-процессоры
Существует два подхода к конструированию процессоров. Первый состоит в том, чтобы придумать как можно больше разных команд и предусмотреть как можно больше разных режимов адресации. Процессоры такого типа называются CISC-процессорами, от слов Сomplex Instruction Set Computers. Это, в частности, Intel 80x86 и Motorola 68000. Противоположный подход состоит в том, чтобы реализовать лишь минимальное множество команд и режимов адресации, процессоры такого типа называются RISC-процессорами, от слов Reduced Instruction Set Computers. Примеры RISC-процессоров: DEC Alpha, Power PC, Intel Itanium.
Казалось бы, CISC-процессоры должны иметь преимущество перед RISC-процессорами, но на самом деле все обстоит строго наоборот. Дело в том, что простота набора команд процессора облегчает его конструирование, в результате чего удается достичь следующих целей:
все команды выполняются исключительно быстро, причем за одинаковое время, т.е. за фиксированное число тактов работы процессора;
значительно поднимается тактовая частота процессора;
намного увеличивается количество регистров процессора и объем кеш-памяти;
удается добиться ортогональности режимов адресации, набора команд и набора регистров. Это означает, что нет каких-либо выделенных регистров или режимов адресации: в любых (или почти любых) командах можно использовать произвольные регистры и режимы адресации независимо друг от друга. Следует отметить, что к памяти могут обращаться лишь команды загрузки слова из памяти в регистр и записи из регистра в память, а все арифметические команды работают только с регистрами;
простота команд позволяет эффективно организовать их выполнение в конвейере (pipeline), что значительно ускоряет работу программы.
Пункты 3 и 4 по достоинству оценят те, кому пришлось программировать на Ассемблере Intel 80x86, имеющем ряд ограничений на использование регистров и режимы адресации, к тому же и регистров в нем очень мало.
RISC-архитектуры обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с CISC-архитектурами — быстродействием, низкой стоимостью, удобством программирования и т.д. — и практически не имеют недостатков. Существование CISC-процессоров в большинстве случаев объясняется лишь традицией и требованием совместимости со старым программным обеспечением. Впрочем, существует и третий вариант — процессоры, которые по сути являются RISC-процессорами, но эмулируют внешнюю систему команд устаревших процессоров, например, современные процессоры Intel Pentium.
Алгоритм работы компьютера
Среди всех регистров процессора в любой архитектуре всегда имеется два выделенных регистра: это регистр PC, что означает Program Counter, по-русски его называют счетчиком команд, и регистр SP — Stack Pointer, т.е. указатель стека. Иногда регистр PC обозначают как IP, что означает Instruction Pointer, указатель инструкции. (Команды процессора часто называют инструкциями.)
В фон-Неймановской архитектуре, по которой построены все современные компьютеры, программа, состоящая из машинных команд, содержится в оперативной памяти. Регистр PC всегда содержит адрес команды, которая будет выполняться на следующем шаге. Алгоритм работы процессора выглядит следующим образом:
цикл до бесконечности выполнять
| прочесть команду с адресом PC из оперативной памяти;
| увеличить содержимое PC на длину прочитанной команды;
| выполнить прочитанную команду;
конец цикла
В простейшем случае, когда выполняется линейный участок программы, команды выбираются из памяти и выполняются последовательно, а содержимое регистра PC монотонно возрастает. Выполнение команды, однако, может приводить к изменению регистра PC. Таким образом организуются безусловные и условные переходы в программе, нарушающие последовательный порядок выполнения команд. С помощью команд условных и безусловных переходов реализуются конструкции ветвления и цикла. Команда перехода представляет собой либо прибавление константы к содержимому PC (константа может быть положительной или отрицательной), либо загрузку в PC адреса элемента памяти со всеми возможными режимами адресации. Первый способ используется для реализации переходов внутри подпрограммы (внутри функции в терминах языка Си), второй -- для перехода к подпрограмме. Впрочем, гораздо чаще в последнем случае используется команда call вызова подпрограммы, которая дополнительно запоминает точку возврата в регистре или в аппаратном стеке.