Принципы работы компьютера
С помощью какого-либо ВУ в память компьютера вводится программа. УУ считывает содержимое ячеек ОЗУ, где находится первая команда программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать ввод или вывод данных с ВУ в память или, наоборот, из памяти на ВУ, выполнение арифметических (сложение, вычитание, деление, умножение) или логических операций.
После выполнения первой команды УУ считывает вторую, которая находится в следующей ячейке памяти, и выполняет ее и т.д. Последовательность выполнения команд может быть изменена с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают УУ, что необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в другой ячейке памяти. Это позволяет использовать одни и те же команды несколько раз – в цикле или при необходимости, выполнять различные последовательности команд в зависимости от определенных условий и т.д.
Таким образом, УУ выполняет инструкции автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с ОЗУ и ВУ компьютера. Поскольку ВУ, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные компоненты компьютера, УУ может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода/вывода с ВУ.
Принцип запоминаемой (хранимой) программы
Принцип хранимой программы основывается на принципе однородности памяти и считается одной из наиболее важных идей компьютерной архитектуры. Согласно ему, команды программы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции.
Поскольку программа уже хранится в памяти, одни и те же команды могут любое нужное количество раз извлекаться из нее и выполняться. Более того, так как команды представлены в форме чисел, то над ними машина может производить операции так же, как и над числами. Это называется «модификация команд».
Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные должны быть помещены в ее память. Обычно эта информация предварительно заносится во внешнюю память. Затем при помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются из внешней памяти и помещаются в ОЗУ. Кроме того, программы и данные могут неограниченное время храниться во внешней памяти и быть использованы, как только это станет необходимо.
Принцип микропрограммируемости
Микропрограммируемость – это микропрограммный принцип управления компьютером, когда каждой программе ставится в соответствие своя микропрограмма, хранящаяся в памяти. Например, операция сложения состоит из ряда элементарных операций: передача информации от одного узла к другому, одноразрядный сдвиг и суммирование одного разряда, чтение первого слагаемого, чтение второго слагаемого и т.д. Техническая реализация этого способа проста благодаря тому, что можно легко видоизменить содержание любой операции и, соответственно, команды за счет изменения микропрограммы.
Для реализации микропрограммируемости необходимо наличие в компьютере постоянной памяти, в ячейках которой будут постоянно храниться коды, соответствующие различным комбинациям управляющих сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную операцию, т. е. подключить определенные электрические цепи и схемы.
Чтобы выполнить элементарную операцию, необходимо задать управляющий сигнал. Он хранится в ячейке постоянной памяти, имеющей конкретный адрес. Достаточно задать определенную последовательность адресов, чтобы был сформирован набор управляющих сигналов для выполнения элементарных операций. Задает эту последовательность адресов микропрограмма, также хранящаяся в постоянной памяти.
Команда выполняет все действия в зависимости от того, какой код операции в ней находится. Каждой команде, а точнее коду операции, соответствует своя микропрограмма. Эта микропрограмма, состоящая из адресов ячеек, где хранятся управляющие сигналы, вызывает их на выполнение и обеспечивает подключение необходимых электрических цепей и схем.
В этом случае для выполнения операции сложения двух чисел, например, на ассемблере, программист описывает следующие действия:
– загрузка первого слагаемого в регистр (ячейку памяти с адресом) EAX;
– загрузка второго слагаемого в регистр EBX;
– вызов микрооперации сложения;
– загрузка результата из регистра EAX.
Дальнейшее развитие этой идеи приводит к появлению микрокода – программы, реализующей набор инструкций процессора. В этом случае микропрограмма состоит из серий микроинструкций. Микроинструкции управляют процессором на самом низком уровне, они и есть элементарные действия над данными: загрузка операнда в регистр, установка флага, вызов микрооперации сложения и т. д. Микропрограмма вызывается при помощи специальных операторов, которые программист указывает при написании программы.
Современные микропроцессоры позволяют записывать в них значительное количество микрокодов, выполняющих порой весьма сложные преобразования данных. Сформировались два основных направления микропрограммного развития. Первое – CISC (англ. Complex instruction set computing, компьютер с комплексным набором команд) – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется тем, что для широкого набора сложных операций в микропроцессоре предусмотрены собственные микропрограммы. Предполагалось, что это позволит упростить создание сложных программ и ускорит их выполнение. Так и было до определенного момента, но универсальный характер ПЭВМ обусловил применение компьютеров для решения такого широкого круга задач, что комплексный набор команд оказался малоэффективным.
Второе направление – RISC (англ. restricted (reduced) instruction set computer, компьютер с сокращённым набором команд), архитектура процессора, в которой количество инструкций уменьшено, а сами инструкции упрощены. Сложные действия над данными, которые в CISC выполняются одной командой, осуществляются рядом простых инструкций. Однако за счет того, что декодирование инструкций упрощается, сокращается количество обращений к памяти и т.д., выполнение программы ускоряется.
Сегодня микропроцессоры в основном проектируются на основе RISC-архитектуры.