ОРГАНІЗАЦІЯ І ФУНКЦІОНУВАННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ КОМПЛЕКСІВ

Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

 

 

Н.П. Полякова

  ОРГАНІЗАЦІЯ І ФУНКЦІОНУВАННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ КОМПЛЕКСІВ  

ВСТУП

Методичний посібник відображає матеріал для вивчення чотирьох змістовних модулів дисципліни „Організація і функціонування інформаційно-обчислювальних комплексів”. У посібнику частково використовуються матеріали навчального курсу “IT Essentials I” мережної академії CISCO.

В першому модулі розглядаються арифметичні і логічні основи функціонування ЕОМ. Студент вивчить кілька важливих термінів, випробує методи, що використовуються при конвертаціях чисел у різних системах числення. Надається як теоретичний матеріал, так і матеріал для виконання лабораторних робіт, а також для самостійної роботи.

До модуля 2 «Класична структура ЕОМ» включено як матеріал теоретичний, так і матеріал для виконання лабораторних робіт. Оскільки знання студента з матеріалу другого модулю контролюються за допомогою комп’ютерного тестування, до посібника включено також питання з підготовки до тестування.

Модулі третій «Побудова основної пам’яті » і четвертий «Організація систем переривання програм» мають структуру, що аналогічна структурі другого модуля.

Модуль 1: АРИФМЕТИЧНІ І ЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЕОМ

1.1 Термінологія одиниць вимірювання

Людині, що працює у галузі інформаційних технологій важливо розуміти терміни, що використовуються. При читанні специфікацій, або під час спілкування з іншими фахівцями, використовується великий словник термінів. Кожному повинні бути відомі наступні терміни:

· bit – Найменша одиниця даних в комп’ютері. Біт може набувати значення нуль чи одиниця. Біт – це двійковий формат, в якому комп’ютери обробляють дані.

· byte – Одиниця вимірювання, що використовується для опису розміру фала даних, кількості місця на диску, або на іншому носії даних, або кількості даних, що посилаються по мережі. Один байт складається з восьми бітів даних.

· nibble– Половина байта, або 4 біта.

· kilobyte (KB) – 1024, приблизно 1000 байт.

· kilobytes per second (kBps)– Вимірювання кількості даних, що передані через підключення. Це швидкість передачі приблизно 1000 байт за секунду.

· kilobit (Kb) – 1024, приблизно 1000 біт.

· kilobits per second (kbps) – Вимірювання кількості даних, що передані через підключення. Це швидкість передачі приблизно 1000 біт за секунду.

· megabyte (MB) – 1048576 байт, або приблизно 1000000 байт.

· megabytes per second (MBps) – Загальне вимірювання кількості даних, що передані через підключення. Це швидкість передачі даних приблизно 1000000 байтів або 106 кілобайт за секунду.

· megabits per second (Mbps) – Загальне вимірювання кількості даних, що передані через підключення. Це швидкість передачі даних приблизно 1000000 бітів або 106 кілобіт за секунду.

Примітка: Дуже часто плутають КВ та Кb і MB та Mb. Велика літера B указує на байти, а маленька b – на біти. Треба це пам’ятати, коли виконуєш обчислення для порівняння швидкостей передачі, що обчислюються в КВ з тими, що обчислюються в Kb. Наприклад програмне забезпечення модему звичайно показує швидкість з’єднання у кілобітах за секунду, наприклад 45 kbps. Однак, сучасні браузери відображають швидкість завантаження файла у кілобайтах за секунду. Тому, швидкість завантаження з підключенням 45 kbps буде максимум 5,76 kBps.

Також, потрібно знати наступну термінологію:

· hertz (Hz) – Одиниця вимірювання частоти. Герц – це один цикл за секунду, використовується щоб описати швидкість комп’ютерного мікропроцесора.

· megahertz (MHz) – Один мільйон циклів за секунду. Загальна одиниця вимірювання швидкості процесорного чіпа.

· gigahertz (GHz) – Один мільярд циклів за секунду. Загальна одиниця вимірювання швидкості процесорного чіпа.

Примітка: Процесори персональних комп’ютерів стають все швидшими. Мікропроцесори, що використовувалися у персональних комп’ютерах у 1980-х роках звичайно працювали на швидкості до 10 MHz, оригінальна IBM PC - 4,77 MHz. На початку 2000 року процесори наблизилися до швидкості 1 GHz, і до 3,0 GHz у 2002 році.

1.2 Аналогові та цифрові системи

Змінні, що характеризують аналогову систему, можуть приймати не скінчений ряд значень. Наприклад, стрілки на аналоговому годиннику можуть показувати нескінчену кількість різних годин упродовж дня. Рисунок 1.1 ілюструє аналоговий сигнал. Змінні, що характеризують цифрові системи, можуть приймати тільки фіксовану кількість дискретних значень. У двійковій арифметиці, що використовується у комп’ютерах, дозволяється тільки два значення – 0 або 1. Комп’ютери і кабельні модеми – це приклади цифрових пристроїв. На рис. 1.2 показано цифровий сигнал.

Рисунок 1.1 – Аналоговий сигнал

Рисунок 1.2 – Цифровий сигнал

1.3 Логічні булеві вентилі

Комп’ютери складаються з різних видів електронних схем. Ці схеми залежать від так званих логічних вентилів AND, OR, NOT, NOR. Ці вентилі характеризуються тим, якій відгук вони видають залежно від вхідних сигналів. На рис. 1.3, 1.4, 1.5 показані логічні вентилі. “x” і“y” представляють входи, а “f” представляє результат. 0 представляється як “off”, і 1 представляється як “on”.

Рисунок 1.3 – логічні вентилі AND і OR

Рисунок 1.4 – Логічний вентиль NOT

Рисунок 1.5 – Логічний вентиль NOR

 

Є тільки три основні логічні функції : AND, OR, NOT:

· AND– Якщо на будь якому вході off, то і результат off.

· OR - Якщо на будь якому вході on, то і результат on.

· NOT – Якщо на вході on, результат off. Також вірне протилежне.

NOR – це комбінація OR та NOT і не є основним вентилем. NOR діє таким чином, якщо на будь якому вході on, результат off.

На рис. 1.6 відображені таблиці істинності, тобто ті самі інструкції у компактній формі.

 

Рисунок 1.6 – Таблиці істинності

Системи числення

Вибір системи числення для будь-якого практичного застосування дуже важливий. Система числення - сукупність прийомів і правил для запису чисел цифровими… Приклад: Десяткова система числення використовує цифри 0,1,...,9.

Лабораторна робота 1

Ціль: 1. Одержати навички конвертації чисел з однієї системи числення до іншої. 2. Вивчити методику арифметичного додавання за допомогою прямого, зворотного… Порядок виконання:

Поява Internet

Міністерство оборони заснувало дослідницькі центри усюди в Сполучених штатах. У 1968 році агентство ARPA уклало контракт з корпорацією BBN щодо… Коли почався проект ARPANET ніхто не міг передбачити, що мережа досягне таких… У 1983 році ARPANET було розділено. У військовій мережі MILNET, що була інтегрована з мережею даних міністерства…

Структурна схема ЕОМ.

Рисунок 2.5 – Структура ЕОМ.

Ефективне функціонування ЕОМ засноване на наступних принципах. Принцип збереженої в пам'яті програми: закодована програма зберігається в пам'яті разом з даними. Ті самі команди можуть потрібне число раз зчитуватися з пам'яті і виконуватися. Над командами як і над числами можуть виконуватися операції. Автоматичне керування процесом вирішення задачі досягається на основі принципу програмного керування. Алгоритм вирішення задачі визначає послідовність операцій, виконання якої над вихідними даними і проміжними результатами приводить до рішення. Опис алгоритму у формі, що прийнятна для ЕОМ, називається програмою. Програма складається з окремих команд. Кожна команда пропонує визначену дію і вказує над якими словами (операндами) ця дія вироконується. Команди закодовані в цифровій формі, для зручності сприйняття пристроями ЕОМ. Перед вирішенням задачі програма і вихідні дані розміщаються в оперативній пам'яті через пристрої введення (з перфострічок, перфокарт, магнітної стрічки, клавіатури, магнітних дисків) у закодованому вгляді. У ході обчислювального процесу з оперативної пам'яті зчитується код команди (здійснюється вибірка команди ), по ньому визначається місцезнаходження даних, що повинні оброблятися, вони витягаються з пам'яті, процесор виконує зазначену в коді операцію і записує результат на збереження в пам'ять. Потім визначається місцезнаходження наступного коду команди і т.д.

 

2.8 Структура і типи команд.

Операція - перетворення інформації, що виконується під впливом однієї команди. Команда - код, що визначає операцію і дані, що беруть участь в операції. Команда містить у явній або неявній формі інформацію про адресу, по якій міститься результат операції, і про адресу наступної команди. Код команди в загальному випадку складається з операційної й адресної частин. Ці частини також можуть складатися з декількох полів (особливо адресна). Операційна частина містить код операції (Коп), що задає вид операції (додавання, множення, передача керування й ін.). Адресна частина команди містить інформацію про адреси операндів і результату операції, у деяких випадках інформацію про адресу наступної команди. Структура команди визначається складом, призначенням і розташуванням полів у команді.

Рисунок 2.6 – Структура команди

Формат команди - це структура команди з розміткою номерів розрядів (біт), що визначає межі окремих полів команди, або з указівкою числа біт у визначених полях. Спочатку команда складалася з п'яти полів (код операції і 4 адреси). Така команда містила в явному вигляді всю необхідну інформацію про операцію, що задається.

Рисунок 2.7 – Формат чотирьохадресної команди

Порядок вибірки команд при цьому називається примусовим. Коротку 4х адресну команду треба зберігати в 16 бітовому осередку пам'яті. Тоді під адресу приділяється 3 біти. (можна адресувати 2³=8 осередків пам'яті). Сучасні мікроЕОМ адресують не менше 2¹⁶ =65536 осередків. Тоді на всю команду потрібно 80 біт. Або прийдеться зберігати її в осередках пам'яті у вигляді окремих полів, або зменшувати число адресних полів команди. У сучасних ЕОМ чотирьохадресні команди практично не зустрічаються. Розвиток відбувався шляхом зменшення числа адресних полів команди. Можна установити, як це прийнято для більшості машин, що після виконання даної команди, яка розташована за адресою К і займає L осередків, виконується команда з (K+L) осередків. Такий порядок вибірки команд називається природним. Він порушується тільки спеціальними командами. У такому випадку відпадає необхідність вказувати в команді в явній формі адресу наступної команди.

Рисунок 2.8 – Формат трьохадресної команди

Такі команди також використовуються мало. Можна умовитися, що результат операції завжди міститься на місці одного з операндів. Для двохадресної команди адреса, за якою повинний бути розміщений результат збігається з адресою одного з операндів (для IBM PC з адресою першого з операндів). Найбільше поширення отримали в мікроЭВМ одноадресні і безадресні команди.

Рисунок 2.9 – Формат одноадресної команди

При цьому один з операндів вказується в команді адресою, а в якості іншого використовується зміст внутрішнього регістра процесора - регістра результату або акумулятора ( регістр - пристрій для проміжного збереження двійкової інформації). Це викликано тим, що часто результат виконання попередньої операції використовується в наступної як операнд. Використання одноадресних команд дозволяє збільшити швидкодію, тому що зменшується число звернень процесора до оперативної пам'яті. Приклад: Додавання A=B+C+D+E за допомогою одноадресних команд.

Рисунок 2.10 – Додавання за допомогою одноадресної команди

Остання команда ( останов ) - безадресна. Безадресні команди ( команди з неявною адресацією) використовуються при роботі зі стековою пам'яттю, з конкретними пристроями (акумулятором), тобто коли адреси обох операндів і результату припускаються.

Рисунок 2.11 – Формат безадресної команди

Висновки:

1) трьохадресні команди забезпечують мінімальний час обчислень.

2) одноадресні команди забезпечують мінімальні витрати пам'яті на представлення алгоритмів.

3) двохадресні команди по показниках ефективності займають проміжне положення між відповідними показниками 3-х і 1-но адресних команд. Однак, ці показники ефективності ще багато в чому залежать від алгоритмів. Для науково-технічних розрахунків більш економічні одноадресні команди, а при обробці даних - 2х адресні.

2.9 14 регістрів мікропроцесора Intel 8086

Мікропроцесор 8086 спроектований так, щоб одночасно виконувати інструкції (команди арифметичні, логічні й ін.), приймати наступні інструкції і звертатися до пам'яті. Це робиться за допомогою 16–розрядних регістрів.

Усього має місце 14 спеціалізованих регістрів. Intel 8086 -шістнадцятирозрядний мікропроцесор, тобто довжина його регістрів 16 розрядів (2 байти) і обмін даними, наприклад з оперативною пам'яттю, можливий тільки порціями по 16 розрядів.

Регістр – пристрій, призначений для проміжного збереження двійкової інформації в процесі виконання обчислювальних операцій, а також для її перетворення.

Register – у перекладі з англ. журнал записів або реєструвати.

	15 8	7 0
AX (акумулятор)	AH	AL	Арифметичні
BX (ваза)	BH	BL	(робочі)
CX (лічильник)	CH	CL	регістри
DX (дані)	DH	DL

 

	15 0
CS (сегмент коду)
DS (сегмент даних)			Регістри
SS (сегмент стека)			сегментів
ES (додатковий сегмент)

 

	15 0
IP (вказівник команд)
SP (вказівник стека)		Регістри
BP (вказівник бази)		зсуву
SI (вказівник джерела)
DI (вказівник призначення)

 

Прапори	FLAGH	FLAGL	Регістр прапорів

 

– 4-х розрядний регістр, у дійсності не існуючий.

 

Основний час при роботі комп'ютера витрачається на звернення до пам'яті. Якщо проміжні результати обчислень та операнди зберігати усередині процесора, то ефективність роботи програм зросте. Для цього служать 4 арифметичних регістри (робочі регістри).

 

АРИФМЕТИЧНІ РЕГІСТРИ позначаються AX, BX, CX, DX.

Ці регістри допускають довільне використання, тобто можуть містити як дані, так і адреси. Вони взаємозамінні, однак кожний має і деякі спеціальні функції:

AX (Accumulate – акумулювати, накопичувати) – акумулятор, основний регістр, що використовується в арифметичних операціях.

BX (Base – база, основа) – використовується для збереження адреси початку таблиці перекодування символів, для збереження зсуву при непрямій адресації.

CX (Counter – лічильник) – лічильник числа повторень циклів і блокових пересилань.

DX (Date – дані) – використовується у якості розширення акумулятора для операцій, що дають 32х розрядний результат.

Арифметичні регістри використовують також для передачі значень або адрес параметрів до підпрограм.

Кожний з арифметичних регістрів можна розглядати як пари восьмирозрядних (1 байт) регістрів, що адресуються незалежно. Старші половинки (High – високий) позначаються AH, BH, CH, DH, а молодші (Low – низький) – AL, BL, CL, DL.

СЕГМЕНТНІ РЕГІСТРИ

Повна адреса пам'яті формується з адреси початку сегмента розміром 64 кілобайти і зсуву байта відносно початку цього сегмента.

Чотири сегментних регістри CS, DS, SS, ES зберігають початкові адреси чотирьох сегментів розміром 64 кілобайти.

CS – Code Segment – сегмент коду – зберігає адреса сегмента коду виконуваної програми.

DS – Data Segment – сегмент даних – указує на сегмент даних, що використовуються програмою.

SS – Stack Segment – сегмент стека – указує на сегмент стека, область даних, яка призначена для тимчасового збереження параметрів і адрес, що використовуються програмою.

ES – Extra Segment - додатковий сегмент – дозволяє програмі працювати більш ніж з 64 Кбайт пам'яті одночасно. Цей регістр бере участь у міжсегментних пересиланнях даних.

Усі ці 4 регістри 16-розрядні, але їхній уміст зміщений на 4 розряди вліво стосовно інших регістрів.

РЕГІСТРИ ЗСУВУ

П'ять регістрів служать для точної вказівки адреси байта або слова відносно початку відповідного сегмента.

IP – Instruction Pointer – вказівник інструкції – указує на адресу наступної виконуваної інструкції в сегменті коду, що адресується за допомогою сегментного регістра CS. Цей регістр встановлюється автоматично засобами мікропроцесора і значення регістра IP не може бути явно отримано або змінене програмою. Однак є команди (наприклад безумовного переходу, виклику підпрограм), що неявно змінюють значення IP, зберігають його значення в стеку, відновлюють його значення зі стека.

Регістри SP – Stack Pointer – вказівник стека
BP – Base Pointer – вказівник бази

містять зсув у сегменті стека. SP указує на вершину стека. BP використовується для фіксації положення стека у визначений момент часу, щоб потім адресуватися до даних, що розташовані у стеку.

Регістри SI – Sourse Index – індекс джерела
DI – Destination Index – індекс призначення

використовуються для формування складних адрес.

 

РЕГІСТР ПРАПОРІВ

Значення його бітів встановлюються в залежності від результату виконання команди арифметико–логічним пристроєм, наприклад від результату арифметичної операції (позитивний, негативний або дорівнює нулю). Уміст цього регістра використовується для визначення подальшого порядку виконання програми.

У регістрі прапорів 9 прапорців:

1 – прапор установлений, виставлений

0 – прапор скинутий, очищений

CF – Прапор переносу. Переустановлюється в кожній операції додавання, віднімання.

NC – (0) – немає переносу (No Carry)

CY – (1) – перенос (Carry Yes)

CY установлюється, якщо при додаванні (відніманні) з'являється 17-й біт рівний 1. Крім того, цей прапор містить останній висунутий біт при операції зсуву або циклічного зсуву.

ZF – Прапор нуля. Указує, чи не є результатом операції 0, або на рівність при порівнянні. Установлюється після кожної операції.

ZR – (1) – нуль (Zero)

NZ – (0) – не нуль (No Zero)

SF – Прапор знака. Указує знак результату арифметичних операцій.

NG – (1) – мінус (Negative)

PL – (0) – плюс (Plus)

OF – Прапор переповнення. Указує на арифметичне переповнення.

OV – (1) – переповнення

NV – (0) – немає переповнення

PF – Прапор паритету (парності). Указує на парність числа одиниць у молодших 8 бітах даних

1 - парне число одиниць

0 - непарне число одиниць

AF – Допоміжний прапор переносу (зовнішній перенос). Указує на корегування, що необхідне при двійково-десяткових (BCD) арифметичних операціях.

Це 6 статусних прапорів (прапори стану), що відбивають результати арифметичних і логічних операцій. Три прапори, що залишилися - керуючі, тобто такі, що змінюють режими роботи процесора.

DF – Прапор напрямку – Керує напрямком уліво/вправо в операціях, що повторюються (пересилання строкових даних наприклад)

IF – Прапор переривань – Керує дозволом/забороною зовнішніх переривань.

TF – Прапор трасування (пастки). Керує однокроковими операціями (при використанні DEBUG), генеруючи програмні переривання наприкінці кожної команди.

Регістр прапорів має вигляд

 

OF

DF

IF

TF

SF

ZF

AF

PF

CF

 

Сім біт у регістрі прапорів не використовуються.

Лабораторна робота 2

Ціль: 1. Одержати початкові зведення про операційну систему DOS 2. Вивчити методику застосування основних команд операційної системи DOS і одержати навички роботи з ними.

Команди загального призначення.

Date - видається інформація про день тижня і дату, потім можемо ввести нову дату або не змінювати дату, натиснувши клавішу Enter. Current date is Thu 06-30-1997 Enter new date (mm-dd-yy): 07-04-2007

Очищення екрана

Після виконання цієї команди на екрані залишається тільки запрошення MS-DOS і курсор. 5) Зміна виду запрошення DOS здійснюється за допомогою команди PROMPT [текст підказки]

Каталоги

Головний каталог диска називається кореневим. Поточний - каталог, з яким працює в даний момент користувач. Якщо використовується файл не з поточного каталогу, необхідно вказати шлях до нього.

Файли

Файл - пойменована область на диску (file - у перекладі з англ. папка).

Ім'я файлу має вигляд ім'я.розширення

Ім'я може містити від 1 до 8 символів, розширення - до трьох символів. Наявність розширення необов'язково. Імена можуть включати латинські букви, цифри, символи - _ $ # & @ ! % ( ) { } ' ~ ^

Розширення звичайно вказує на характер файлу:

.com, .exe - файли, що виконуються;

.bat - командні файли;

.pas - файли з текстом програм мовою PASCAL;

.for - файли з текстом програм мовою FORTRAN;

.c - файли з текстом програм мовою Cі;

.asm - файли з текстом програм мовою Assembler;

.bak - резервна копія файлу, створена перед його зміною.

Приклади імен файлів: 123.exe ABCD.bat

Повне ім'я файлу має вигляд: [дисковод:] [шлях] ім'я_файлу

Якщо дисковод не зазначений, то мається на увазі поточний дисковод, якщо не зазначений шлях, то мається на увазі поточний каталог.

У квадратних дужках позначаються необов'язкові елементи.

Для вибору групи файлів часто використовуються символи "*" і "?". Символ "*" заміняє будь-яке число символів в імені файлу, "?" - замінює тільки один символ.

Приклади: *.bak - усі файли з розширенням .bak

c*.d* - усі файли 1-й символ імені яких "c", а 1-й символ розширення "d"

c?.dat - усі файли з розширенням .dat , ім'я яких складається не більш ніж

з 2-х символів (перший "c")

Як імена файлів не можуть використовуватися імена пристроїв:

PRN	- принтер;
LPT1, LPT2, LPT3	- паралельні порти;
AUX	- послідовний порт;
COM1, COM2, COM3	- послідовні порти;
CON	- клавіатура, екран;
NUL	- фіктивний, порожній пристрій.

Робота з файлами.

copy con [дисковод:] [шлях] ім'я_файлу Після введення цієї команди по черзі вводяться рядки файлу. Після кожного… 1 file(s) copied ( 1 файл скопійований )

Таблиця 2.2. Завдання на лабораторну роботу 3

Варіант	Послідовність символів	Варіант	Послідовність символів
	losing		Except
	blaming		build
	after		every
	yourself		broken
	heap		distance
	winnings		watch
	pitch		seconds
	heart		neither
	doubt		knaves
	allowance		common
	waiting		impostors
	wise		virtue
	hated		thoughts
	nerve		crowds
	sinew		master

2.12 Лабораторна робота 4

Тема: Команди зсуву та циклічного зсуву

Зміст завдання

1) Нехай у регістрі EAX утримується шістнадцяткове число (для кожного варіанта це число утримується в таблиці 2.3, що відповідає Вашому варіантові).

Надалі в кожному пункті завдання під шістнадцятковим числом мається на увазі саме це число. Запишіть (у двійковій і шістнадцятковій системах числення), який буде результат (зміст регістра EAX і прапор переносу CF) виконання операції SHR AH,1

Запишіть результати послідовного виконання цієї операції ще 3 рази.

2) Нехай у регістрі EAX утримується шістнадцяткове число.

Запишіть результат виконання операції SHR AH,3

3) Нехай у регістрі EAX утримується шістнадцяткове число.

Запишіть результат виконання операції SAR AH,3

4) Нехай у регістрі EAX утримується шістнадцяткове число.

Запишіть результат виконання операції SHL AX,3

5) Нехай у регістрі EBX утримується шістнадцяткове число. Запишіть результат виконання операції ROR BX,1

Запишіть результати послідовного виконання цієї операції ще 15 разів.

6) Нехай у регістрі EBX утримується шістнадцяткове число.

Запишіть результат виконання операції ROR EBX,5

7) Нехай у регістрі EDX утримується шістнадцяткове число. Запишіть результат виконання операції RCL EDX,1

Зробіть припущення про те, який буде результат, якщо цю інструкцію виконати 33 рази.

8) Нехай у регістрі EDX утримується шістнадцяткове число.

Запишіть результат виконання операції RCR EDX,7

 

Таблиця 2.3. Варіанти завдань до лабораторної роботи 4

Варіант	Шістнадц. число	Варіант	Шістнадц. число	Варіант	Шістнадц. число
	7BD48765h		E185E6D4h		FAD192D1h
	F14C987Fh		0CC5A75Ah		62DB9E84h
	19B1A54Eh		E18BB43Ah		BD10BA5Ch
	DD41F341h		9BD5CA7Bh		8CADC973h
	EDA1FС34h		43F1D261h		1AC5DB42h
	80EA9A37h		BDE09EC4h		938F8B75h
	77F5B653h		FDF584FDh		99FAAF6Eh
	CD13CE54h		AFFA417Ah		5AC197D4h
	932EA269h		E0EC8A4Fh		E1F4D85Bh
	A0B4D634h		74ABC4F5h		D6E1B9DAh

 

Теоретичні відомості до виконання лабораторної роботи

Команди зсуву і циклічного зсуву являють собою частину логічних можливостей комп'ютера і мають наступні властивості:

1) обробляють байт або слово;

2) слово можуть зрушувати на величину до 16 біт і до 8 біт для байта.

Значення зсуву на 1 може бути закодоване як безпосередній операнд. Значення більше 1 повинне знаходитися в регістрі CL.

 

Команди зсуву

При виконанні команд зсуву прапор CF завжди містить значення останнього висунутого біта.

SHR (Shift Right) Логічний (беззнаковий) зсув вправо

CF

 

SHL (Shift Left) Логічний (беззнаковий) зсув вліво

 

 

CF 0

Команди зсуву часто застосовують для ділення і множення на 2, що ефективніше використання команд множення або ділення. Якщо при множенні відбувається переповнення або ділення не здійснюється без остачі, то встановлюється прапор переносу CY.

Приклад 1: SHR DL,1

Ця команда зрушує вміст регістра DL вправо на 1 біт. Висунутий у результаті один біт попадає в прапор CF, а самий лівий біт регістра DL заповнюється нулем.

 

DL CF

B7h=183₍₁₀₎, NC до виконання

інструкції

після виконання інструкції

5Bh=91₍₁₀₎, CY (183:2=91 і залишок 1)

 

Якщо виконати інструкцію ще кілька разів, одержимо:

 

0 0 1 0 1 1 0 1 1 2Dh=45₍₁₀₎ , CY (91:2=45 і залишок 1)

0 0 0 1 0 1 1 0 1 16h=22₍₁₀₎ , CY (45:2=22 і залишок 1)

0 0 0 0 1 0 1 1 0 0Bh=11₍₁₀₎ , NC (22:2=11 без залишку)

і т.д.

Після 8 зрушень у регістрі DL з'явиться 00h.

 

Приклад 2: SHL AX,CL

Якщо в регістр CL записати значення 03, то ця команда зрушує вміст регістра AX на 3 біти вліво. Праві 3 біти заповнюються нулями. (Рівносильне множенню на 2³=8)

 

CF AX

0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 до виконання команди

1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 після виконання команди

 

Команда SAR – арифметичний зсув вправо

Значення

знакового 0або1 CF

розряду

 

SAR відрізняється від SHR тим, що для заповнення лівого біта використовується знаковий біт. Таким чином, позитивні і негативні величини зберігають свій знак.

Приклад 3: SAR DH,1

DH CF

B5h=-75₍₁₀₎, NC до виконання

інструкції

після виконання інструкції

DAh=-38₍₁₀₎ , CY (-75 на 2 без остачі

не поділяється)

Якщо виконати інструкцію ще кілька разів, одержимо:

1 1 1 0 1 1 0 1 0 -19

1 1 1 1 0 1 1 0 1 -10

1 1 1 1 1 0 1 1 0 -5 і т.д.

Приклад 4: SAR DL,1

DL CF

75h=117₍₁₀₎, NC до виконання

інструкції

після виконання інструкції

3Ah=58₍₁₀₎ , CY

Команди циклічного зсуву

Циклічний зсув – операція зсуву, при якій висунутий біт займає розряд, що звільнився.

ROR (Rotate Right) Циклічний зсув вправо

 

ROL (Rotate Left) Циклічний зсув вліво

 

 

RCR (Rotate Carry Right) Циклічний зсув вправо з переносом

CF

 

RCL (Rotate Carry Left) Циклічний зсув вліво з переносом

 

CF

 

 

Приклад 5: RCL BL,1

Ця інструкція циклічно зрушує байт у BL уліво на 1 біт через прапор переносу. Крайній лівий біт зрушується в прапор переносу, а біт із прапора переносу міститься в крайню праву позицію. Інші біти зрушуються вліво.

 

CF BL

 

CF BL

1 0 1 1 0 1 0 1 1 6Bh до виконання інструкції

0 1 1 0 1 0 1 1 1 D7h після виконання інструкції

Якщо виконати зазначену команду ще раз, одержимо:

1 1 0 1 0 1 1 1 0

1 0 1 0 1 1 1 0 1 і т.д.

Приклад 6: RCR BL,1

Ця інструкція циклічно зрушує байт у BL вправо на 1 біт через прапор переносу. Крайній правий біт зрушується в прапор переносу, а біт із прапора переносу міститься в крайню ліву позицію. Інші біти зрушуються вправо.

BL CF

BL CF

0 1 1 0 1 0 1 1 0 6Bh до виконання інструкції

0 0 1 1 0 1 0 1 1 35h після виконання інструкції

 

Приклад 7: ROR BL,1

Ця інструкція переносить правий одиничний біт регістра BL у ліву позицію, що звільнилася.

6Bh до виконання інструкції

 

1 0 1 1 0 1 0 1 B5h після виконання інструкції

Приклад 8: ROL BL,1

Ця інструкція переносить лівий біт регістра BL у праву позицію, що звільнилася.

6Bh до виконання інструкції

1 1 0 1 0 1 1 0 B6h після виконання інструкції

 

Приклад 9: ROR BL,CL

Якщо CL=3, то відбувається циклічне зрушення вправо на 3 біти.

 

0 1 1 0 10 1 1 6Bh до виконання інструкції

0 1 1 0 1 1 0 1 6Dh після виконання інструкції

2.13 Питання з підготовки до модульного контролю

1. Структура ЕОМ.

2. Типи команд ЕОМ.

3. Регістри мікропроцесора Intel 8086.

4. Операційна система MS-DOS.

5. Налагоджувач DEBUG.

6. Команди зсуву та циклічного зсуву.

7. Типи комп’ютерних систем.

8. З’єднання комп’ютерних систем.

МОДУЛЬ 3. ПОБУДОВА ОСНОВНОЇ ПАМ’ЯТІ

3.1 Класифікація пристроїв пам'яті. Основні характеристики

Пам'яттю ЕОМ називається сукупність пристроїв, що служать для запам'ятовування, зберігання і видачі інформації. Окремі пристрої, що входять в цю сукупність, називають пристроями, що запам'ятовують (ЗП). ЗП складаються з величезного числа елементів, кожний з яких може знаходитися в одному з двох станів, що кодуються двійковою цифрою 0 або 1. Коли йдеться про принцип побудови пристрою пам'яті, говорять про ЗП, у тому випадку, коли підкреслюється логічна функція, що виконується цим пристроєм пам'яті, то говорять про пам'ять.

Зверненням до пам'яті називається операція по занесенню одиниці інформації в пам'ять – запис, або по вибірці одиниці інформації з пам'яті - зчитування. Для пристроїв різного типа такою одиницею може бути байт, слово, блок даних і т.п.

Найважливіші характеристики пристроїв, що запам'ятовують:

Місткість пам'яті - максимальна кількість даних, які можуть в ній зберігатися, вимірюється в бітах, словах, а частіше в байтах, Кілобайтах, Мегабайтах і т.д.

Питома місткість - відношення місткості ЗП до його фізичного об'єму.

Швидкодія пам'яті - визначається тривалістю операції звернення до пам'яті.

Час циклу пам'яті ( час звернення ) при зчитуванні:

t_обр^счит = t_дост^счит +t_счит+ t_рег

де:

t_дост^счит - час доступу, проміжок часу між початком операції звернення до моменту, коли стає можливим доступ до даної одиниці інформації;

t_счит - тривалість фізичного процесу зчитування;

У деяких пристроях пам'яті зчитування інформації супроводжується її руйнуванням і цикл звернення повинен містити операцію відновлення (регенерації) інформації на колишньому місці в пам'яті.

t_рег - час, що витрачається на регенерацію зруйнованої при зчитуванні інформації (t = 0, якщо ЗП реалізує зчитування без руйнування).

Час циклу пам'яті при записі:

t_обр^зап = t_дост^зап+t_зап+ t_рег

де:

t_дост^зап - час доступу, проміжок часу від моменту між початком звернення до моменту, коли стає можливим доступ до запам’ятовуючих елементів, в які проводиться запис;

t_зап - час занесення інформації, тобто зміни стану запам’ятовуючих елементів.

Зазвичай t_дост^счит = t_дост^зап = t_дост

Цикл звернення до пам'яті - це максимальне значення з часу циклу пам’яті при запису та при зчитуванні.

Залежно від операцій звернення, що реалізовані в пам'яті розрізняють:

а) пам'ять з довільним зверненням, що допускає і зчитування і запис даних. ОЗП - що оперативний запам'ятовуючий пристрій, RAM - Random Access Memory.

б) пам'ять тільки для зчитування інформації. ПЗП - що постійний запам'ятовуючий пристрій, ROM - Read-Only Memory.

Інформація в ПЗП не може бути занесена комп'ютером, тому необхідна інформація (мікрокоди мікропроцесора) заноситься в ПЗП при виготовленні. Такі ПЗП називаються не програмованими. Всі пристрої, що запам'ятовують, типу ROM (ПЗП) энергонезалежні

Відрізняють пам’ять:

1) з безпосереднім (довільним) доступом (RAM, ROM);

2) з прямим (циклічним) доступом (диски);

3) пам'ять з послідовним доступом (магнітні стрічки).

3.2 Типи запам'ятовуючих елементів ОЗП

Для організації оперативної пам'яті використовуються властивості пристроїв визначати наявність електричних зарядів або електричних потоків. По цій властивості ОЗП діляться на динамічні і статичні.

Динамічна пам'ять. Конденсатор – це пристрій, здатний зберігати електричний заряд. Заряди на пластинках конденсатора дозволяють зберігати 1 біт інформації. Проте конденсатор не здатний зберігати заряди протягом тривалого часу, а тільки декілька мілісекунд. За цей час спеціальні ланцюги комп'ютера забезпечують заряджання конденсаторів, тобто оновлення інформації. Через безперервну природу цього процесу така пам'ять називається динамічною. У сучасних ПК динамічна пам'ять реалізується не на конденсаторах, а на базі спеціальних ланцюгів провідників, велика кількість яких об'єднуються в корпусі одного динамічного чіпа.

Статична пам'ять дозволяє потоку електронів циркулювати по ланцюгу. Напруга, що прикладається, може змінити напрям руху електронів. Існує тільки 2 напрями руху потоку, що дозволяє використовувати дані ланцюги як елементи пам'яті. Статична пам'ять працює на зразок вимикача, який перемикає напрям електронного потоку. Перемикач, що управляє електричним струмом відомий як реле . Пам'ять перших комп'ютерів створювалася на основі електричних реле. Надалі як перемикач використовувалися транзистори. Велика кількість транзисторів, об'єднаних в один ланцюг утворюють чіп статичної пам'яті. При втраті живлення і реле і транзистори забувають свій стан.

Основний недолік напівпровідникових ОЗП - енергозалежність.

3.3 Організація основної пам'яті ЕОМ - стекова пам’ять

За методами розміщення і пошуку інформації в запам’ятовуючому масиві, розрізняють адресну, стекову і асоціативну пам'ять.

Стекова пам'ять

stack - в перекладі з англ. стіг, скирта, купа (паперів). Складається з послідовності елементів. Обмін інформацією між ПК і стеком завжди виконується тільки через верхній елемент - вершину стека. При записі нового слова (команди, числа, символу) всі раніше записані слова зміщуються на один елемент вниз, а нове слово поміщається на вершину стека. Зчитування можливо тільки з вершини стека і проводиться з видаленням (після зчитування всі слова зміщуються на один елемент вгору) або без видалення зчитаного слова.

Це пам'ять типу LIFO - Last In First Out - Останнім прийшов, першим вийшов.

Дно стека ще називають основою стека. Використання стекової пам'яті зручно при побудові компілюючих програм, під час виклику підпрограм, роботі по обслуговуванню переривань. З погляду реалізації механізму доступу до стекової пам'яті виділяють апаратний і апаратно-програмний (зовнішній) стек.

Апаратний стек є сукупністю регістрів, зв'язки між якими організовані таким чином, що при записі і зчитуванні даних вміст стека автоматично змішується. Зазвичай місткість апаратного стека в діапазоні від декількох регістрів до декількох десятків регістрів. Апаратний стек характеризується високою швидкодією і обмеженою місткістю. Апаратна організація стека не завжди доцільна і тому в більшості ПК стек моделюють.

При цьому як стек звичайно використовують просто частину адресної пам'яті, що дозволяє міняти місткість стека і економити апаратуру. Зовні модель стека відрізняється від апаратного, але функціонує за тим же принципом LIFO. Це забезпечується за допомогою спеціального регістра процесора – вказівника стека SP (Stack Pointer), який містить адресу плаваючої вершини стека. В процесі виконання команд, що використовують стек, вміст SP автоматично збільшується або зменшується на 1 або 2 ( при 2-х байтових словах пам'яті).

У ПК, що працює з 2-байтовими словами обмін даними між процесором і стеком відбувається таким чином: При завантаженні нового слова спочатку відбувається зменшення вмісту SP на 2, а потім запис цього слова в елемент, на який указує новий вміст SP. При витяганні слова із стека спочатку виконується читання вмісту елементу, на який указує SP, а потім збільшення SP на 2.

Стек росте у зворотний бік, таким чином при додаванні даних вершина стека все більш і більш просувається до менших адрес і значення SP всякий раз зменшується.

3.4Сегментна адресація Intel-8086

Intel-8086- 16-розрядний мікропроцесор, він не може працювати з числами великими. Максимально 2 ^16- 1 = 65 535 = 64 Кбайт.

Теоретично це означає, що він може використовувати тільки 65536 (64К) адрес. Проте, практично цей мікропроцесор використовує значно більше - 1024Кбайт, оскільки використовується 20-розрядна адреса ( 2²⁰ = 1 Мбайт ).

Адресний простір ділиться на довільну кількість сегментів, кожний з яких містить не більше 64 Кбайт. Адресою сегменту або параграфом сегменту називається адреса першого байта сегменту, він завжди кратний 16 байтам.

Для звернення до байта усередині сегменту використовується додаткова адреса - зсув. Він указує розташування байта щодо параграфа сегменту.

Фізична адреса утворюється за допомогою об'єднання 16-разрядного параграфа сегменту і 16-розрядного відносного зсуву. Якщо параграф сегменту змістити вліво на 4 біта, доповнивши справа нулями, то ми одержимо 20-розрядну фізичну адресу початку сегменту. Склавши цю адресу з 16-розрядним зсувом байта усередині сегменту, одержимо 20-розрядну фізичну адресу байта.

Параграф сегменту записується у вигляді п'ятизначного шістнадцяткового числа, остання цифра якого завжди 0 (FFE40, BCD80 ). 0 виходить в результаті множення шістнадцяткового 4х значного числа на 16 ( це і призводить до того, що сегментна частина може указувати тільки на елементи пам'яті з адресою, яка кратна 16). Зсув записується у вигляді 4х значного шістнадцяткового числа. Сума зсуву і параграфа сегменту дає п'ятизначне шістнадцяткове число (20- розрядну адресу).

Наприклад для логічної адреси 1234:5678 отримуємо наступну фізичну адресу:

+ 5678

179B8

Хоча одиницею пам'яті, що адресується, в ПК є байт, багато операцій здійснюються над словами (16 розрядів). Слово в пам'яті зберігається в двох сусідніх байтах. Молодший байт слова має меншу адресу, а старший - на 1 більший.

Наприклад число ABCD в пам'яті зберігається як CDAB.

3.5 Лабораторна робота № 5

Тема: Безпосередня, регістрова і непряма адресації операндів в команді пересилки даних

Мета: 1. Ознайомитися з роботою команди пересилки даних;

2. На прикладі команди пересилки даних вивчити способи адресації
операндів.

Порядок виконання:

1. Ознайомитися зі структурою команди пересилки даних MOV і основними способами адресації операндів.

2. Зміст завдання:

а) Помістіть в регістри SS і DS шістнадцяткові числа, що вказані в таблиці 3.1 для кожного варіанту.

б) Кожну з приведених нижче інструкцій введіть, починаючи з адреси CS:0100 . Ознайомтеся із вмістом регістрів і зафіксуйте вміст тих з них, які служать для зберігання операндів, і імовірно можуть змінитися в результаті виконання даної інструкції.

Протрасуйте інструкцію і відзначте як змінився вміст регістрів. Вкажіть використаний в команді спосіб адресації і характер дії команди.

Для команд, що використовують непряму адресацію, вкажіть, яким чином (з використанням яких регістрів) формується виконавча адреса. Відзначте результати виконання команди, використовуючи команду DEBUG для перегляду дампу пам'яті.

1) MOV AX,17D6

2) MOV BX,3FC6

3) MOV EF56,CX

4) MOV DS,12EC

5) MOV SI,2CA5

6) MOV BP,3AC6

7) MOV DX,BX

8) MOV BL,BH

9) MOV AX,BL

10) MOV DI,DX

11) MOV CH,DL

12) MOV [BX],AX

13) MOV [DI],CH

14) MOV CX,[SI]

15) MOV AL,[BP]

16) MOV [BP+SI],AX

17) MOV [AX],BX

18) MOV AX,[DX]

19) MOV [BL],AX

20) MOV BX,[BP]

21) MOV [BX],BP

в) Напишіть декілька послідовностей інструкцій, що дозволяють помістити інформацію з одного елементу пам'яті в інший (кількість інформації і адреси елементів пам'яті вказані в таблиці 3.1).

Зміст звіту:

1. Тема і мета лабораторної роботи.

2. По кожному пункту завдання відобразити:

а) структуру всіх команд, що були використані в процесі виконання пункту завдання;

б) результати виконання кожної команди.

Таблиця 3.1. Завдання до лабораторної роботи 5

Варіант	SS	DS	Байт чи слово	з елементу	в елемент
1.		9A1F	байт	SS:76E2	DS:9C12
2.		8B2E	слово	DS:723A	DS:8D34
3.	4A3F	7C3C	байт	SS:6153	SS:7E56
4.	5F63	6D4D	слово	DS:6AD3	SS:6F78
5.	4EAB	515B	байт	SS:54EB	DS:509A
6.		426C	слово	DS:6AA3	SS:41BC
7.	54E3	337A	байт	SS:33A4	DS:32DE
8.	78EF		байт	DS:3A16	DS:23F1
9.		55DE	слово	SS:276C	DS:6423
10.	7EAA	46AC	слово	DS:4ACB	SS:5545
11.	5F34		байт	SS:62FA	SS:4667
12.	65FF		слово	DS:72CB	SS:3789
13.	51EA		байт	SS:772A	DS:2801
14.	42AA	8A17	слово	DS:788C	SS:99AB
15.	81AB	7BEF	байт	SS:9DAD	DS:8ACD
16.	76E2	9C12	байт	DS:3918	DS:9A1F
17.	723A	8D34	байт	SS:4536	DS:8B2E
18.		7E56	слово	DS:4A3F	SS:7C3C
19.	6AD3	6F78	слово	SS:5F63	SS:6D4D
20.	54EB	509A	байт	DS:4EAB	SS:515B
21.	6AA3	41BC	слово	SS:5687	DS:426C
22.	33A4	32DE	слово	DS:54E3	SS:337A
23.	3A16	23F1	байт	SS:78EF	SS:2409
24.	276C		слово	DS:8756	DS:55DE
25.	4ACB		байт	SS:7EAA	DS:46AC
26.	62FA		слово	DS:5F34	SS:3768
27.	72CB		байт	SS:65FF	SS:2824
28.	772A		слово	DS:51EA	SS:9935
29.	788C	99AB	слово	SS:42AA	DS:8A17
30.	9DAD	8ACD	байт	DS:81AB	DS:7BEF

Теоретичні зведення до виконання лабораторної роботи №5

Пересилка даних

а) з регістра в регістр; б) з регістра в пам'ять; в) з пам'яті в регістр.

MOV приймач, джерело

1) Регістровий режим. У якості операндів використовується вміст регістрів. Наприклад: MOV BX,DX 2) Безпосередній режим. У команді міститься не адреса операнда, а безпосередньо сам операнд.

Стан процесора. Вектор стану

Вектор стану ( слово стану) процесора ( програми) – це сукупність значень найбільш істотних елементів інформації про стан процесора, що піддаються… Вектор стану в кожен момент часу повинен містити інформацію, достатню для… При цьому решта інформації ( наприклад вміст регістрів ) зберігається і може бути відновлена по копії в пам'яті…

Лабораторна робота 6

Тема: Стек і його використання для виклику процедур

Мета: Ознайомитися з використанням стека під час виклику процедур, обробці
переривань.

Порядок виконання.

2. Ознайомитися з використанням стека під час виклику процедур. 3. Вивчити систему переривань програм IBM PC і порядок використання стека при… Зміст завдання: