ЛЕКЦИЯ 11. ВЫПОЛНЕНИЕ ОДНОЙ КОМАНДЫ ЭВМ. - Лекция, раздел Электроника, Курс лекций по дисциплине ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ Для Улучшения Понимания Вопросов Взаимодействия Узлов И Устройств Эвм Рассмот...
Для улучшения понимания вопросов взаимодействия узлов и устройств ЭВМ рассмотрим автоматическое выполнение команды в трехадресной ЭВМ с классической архитектурой. Структурная схема такой ЭВМ показана на рис. 11.1
Рис. 11.1. Структурная схема трехадресной ЭВМ
Обработку команды можно разбить на ряд функционально завершенных действий (этапов), составляющих ее цикл (рис. 11.2).
Изучение цикла команды проведем при следующих начальных условиях и предположениях:
· команда считывается за одно обращение к ОЗУ;
· команда, операнды и приемник результата используют прямую адресацию памяти. программа и операнды находятся в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ);
· адрес ячейки ОЗУ, в которой находится выполняемая команда (k), зафиксирован на счетчике команд (СК);
·
Определим взаимодействие узлов и устройств ЭВМ на каждом этапе.
Рис. 11.2. Цикл выполнения команды
Первый этап – выборка исполняемой команды из ОЗУ. Для реализации этого этапа необходимо код со счетчика команд (СК) = k передать в ОЗУ, обратиться в ячейку ОЗУ с адресом k и содержимое этой ячейки, являющееся кодом этой команды, передать на регистр команд. Соответствующие передачи отмечены на рис. 11.1 цифрой 1: передача кода СК на РА (регистр адреса) ОЗУ, дешифрация адреса на дешифраторе адреса (ДшА), считывание команды из ячейки (k) ОЗУ и передача ее в РК.
Регистр адреса служит для хранения адреса, по которому происходит обращение к ОЗУ, на время этого обращения. Дешифратор преобразует поступающий на него адрес в унитарный код, который непосредственно воспринимается физическими элементами схем памяти. На его выходах всегда имеется одна и только одна возбужденная шина, соответствующая адресу выбираемой ячейки. Регистр команд предназначен для хранения в процессоре считанной из ОЗУ команды на время ее выполнения. На этом этапе после приема команды на РК дешифратор кода операции (ДшКОп) по операционной части выполняемой команды определяет тип команды. Сигнал с ДшКОп таким образом настраивает блок управления операциями (БУОп), что на его выходах формируются управляющие сигналы (УСi), которые необходимы для автоматического выполнения всего цикла команды вплоть до занесения в РК новой команды. Формирование УСi проходит на основе сигналов с датчика сигналов (ДС), который вырабатывает импульсы, равномерно распределенные по своим выходам. Регистр команд, дешифратор кода операции, блок управления операциями, датчик сигналов, счетчик команд составляют устройство управления.
Если данная команда не является командой перехода, то реализуется следующая последовательность этапов как продолжение первого.
Второй этап – выборка первого операнда (a). Необходимо код из поля адреса первого операнда – a из РК передать в ОЗУ, обратиться к ячейке с адресом a в оперативной памяти и код этой ячейки передать в АЛУ. Соответствующие передачи обозначены на рис. 11.1 цифрой 2.
Третий этап – выборка второго операнда (b). Производится по аналогии со вторым этапом. Соответствующие передачи на рис. 11.1 отмечены цифрой 3.
Четвертый этап – выполнение операции в соответствии с полем кода операции команды. Еще в конце первого этапа коммутатор операций определил тип выполняемой команды. Операнды переданы в АЛУ на втором и третьем этапах. Блок управления операциями формирует управляющие сигналы, необходимые для выполнения данной операции в АЛУ. Результат выполненной в АЛУ операции сохраняется в его внутреннем регистре результата (РР), а признаки результата – в регистре признаков АЛУ. Соответствующие передачи и взаимодействия блоков обозначены на рис. 11.1 цифрой 4.
Пятый этап – обращение к ОЗУ и запись по адресу c результата операции. Здесь код поля c регистра команд передается в ОЗУ на РА. Затем в ячейку ОЗУ с адресом c записывается результат операции, находящийся в регистре результата АЛУ. Признаки результата записываются из регистра признаков АЛУ в регистр флагов компьютера, из которого они передаются в БУОп, если очередная считанная в РК команда окажется командой условного перехода. Соответствующие передачи обозначены на рис. 11.1 цифрой 5.
Шестой этап – формирование адреса ячейки ОЗУ, где находится следующая команда программы, то есть замена старого кода в счетчике команд на новый. Так как в ЭВМ предполагается естественный порядок выполнения программы, то следующая команда находится в ячейках ОЗУ, располагающихся сразу же вслед за ячейками, занятыми выполненной командой. Считая, что выполненная команда занимает в памяти Δ ячеек, получим, что суть этого этапа заключается в следующем изменении счетчика команд: СК = СК + Δ . На этом заканчивается цикл выполнения команды: в СК сформирован адрес следующей команды k +Δ. Выполнение этого этапа может совмещаться с выполнением предшествующих этапов, что и реализовано в большинстве ЭВМ.
Приведенная последовательность этапов повторяется и в дальнейшем для каждой из последующих команд программы, что обеспечивает автоматическое выполнение программы.
При выполнении команды перехода вышеизложенная последовательность этапов меняется. Допустим, в конце выполнения первого этапа дешифратор кода операции зафиксировал выполнение команды безусловного перехода. Эту ситуацию можно представить так: (k) = БП j, то есть код выполняемой команды выбран из ячейки с адресом k, это – команда безусловного перехода (БП), которая должна передать управление на выполнение команды, имеющей смещение j относительно текущей команды. В данном случае выполнение этапов со второго по четвертый блокируется, и выполнение команды безусловного перехода заключается в прибавлении значения j к счетчику команд.
В команде условного перехода нарушение естественного порядка выполнения программы (то есть передача кода k + j в СК) происходит только при выполнении определенного условия. Это условие характеризует результат, полученный командой, предшествующей команде условного перехода.
Таким условием может быть, например, отрицательный результат или результат, равный нулю.
Все темы данного раздела:
Этапы развития ЭВМ.
Идея использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Ч.Бэббиджем еще в 1833г. Од
Принципы работы ЭВМ
Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Информацией называются сведения о тех или иных явлениях
Система счисления.
Способ представления изображения произвольных чисел с помощью некоторого конечного множества символов назовем системой счисления.
В повседневной практике мы пользуе
Позиционные системы счисления.
Само название этих систем указывает на связь значимости числа и его изображения от позиции.
Позиция - некоторое место, в котором может быть представлен лишь один символ.
Пр
Выбор системы счисления.
Возникает естественный вопрос, является ли общепринятая система счисления с основанием 10 оптимальной? Если да, то с каких позиций? Вопрос заслуживает внимания, т.к. одна из первых ВМ
Перевод чисел из одной системы счисления в другую.
Всякий раз, когда используется для вычислений система счисления, отличная от фактической, необходимо выполнить перевод 10 => p, p => 10.
Этот перевод может быть
Перевод чисел из одной системы счисления в другую, когда одно основание является целой степенью другого.
Как мы уже знаем, в ЭВМ наибольшее применение находит система с основаниями 2, 4, 8, 16, т.е. системы которые кратны степени 2. Поэтому целесообразно рассмотреть лишь правила перевода чисел в этих
Фиксированная запятая
Оговоримся, что разрядная сетка машины имеет постоянное число разрядов - n.
При представлении чисел с фиксированной запятой считают, что запятая всегда находится перед старшим разря
Плавающая запятая
В ЭВМ с плавающей запятой число представляется в виде:
X = ± Mx * q±p,
где: Mx - мантисса числа;
q - основание системы счисления;
p - порядок.
Разрядная
Дополнительный код
Дополнительным называется код, в котором для положительного числа в знаковом разряде пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного в знаковом разряде пишется "1",
Обратный код
Обратным называется код, для которого в знаковом разряде положительного числа пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного - в знаковом разряде пишется единица, в цифровых
Логические функции и их свойства
Существенная часть ЭВМ состоит из электронных элементов, реализующих функции алгебры логики – Булевой алгебры.
Студентам кафедры информационных технологий МГУТУ читают курс дискретной мате
Сложение по mod 2
1 х = x0 x = xx x = 1 x x x ... x = х – при нечетном числе членов, 0 - при четном числе членов
Правило де Моргана
x1 x2 ...
Базовые элементы цифровой электротехники
Изучение базовых элементов цифровой электроники мы начнем с наиболее простых, а затем будем рассматривать все более сложные. Примеры применения каждого следующего элемента будут опираться на все эл
Инверторы
Самый простой логический элемент — это инвертор (логический элемент НЕ, "inverter") выполняет простейшую логическую функцию — инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на
Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ
Следующий шаг на пути усложнения компонентов цифровой электроники — это элементы, выполняющие простейшие логические функции. Объединяет все эти элементы то, что у них есть несколько равноправных вх
Дешифраторы
Функции дешифраторов и шифраторов понятны из их названий. Дешифратор преобразует входной двоичный код в номер выходного сигнала (дешифрирует код), а шифратор преобразует номер входного сигнала в вы
Шифратор
Шифратор – схема, имеющая 2n входов и n выходов, функции которой во многом противоположны функции дешифратора (рис. 5.5). Эта комбинационная схема в соответствии с унитарным кодом
Сумматоры
Сумматор (английское Adder), является простейшим цифровым устройством. Это узел ЭВМ, выполняющий арифметическое суммирование кодов чисел, т.е. он предназначен для сложения двух чисел, заданных в дв
ЛЕКЦИЯ 6.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ УЗЛЫ ЭВМ.
Последовательскими называются цифровые микросхемы, имеющие внутреннюю память. Простейшими из них являются триггеры, регистры и счетчики. Если выходные сигналы логических элементов и комбинационных
Триггеры
В основе любого триггера (англ. — "тrigger" или "flip-flop") лежит схема из двух логических элементов, которые охвачены положительными обратными связями (то есть сигналы
RS триггеры.
Основу одноступенчатого триггера составляет рассмотренная выше запоминающая ячейка. Комбинационная схема преобразует управляющие сигналы триггера,Таблица переходов RSтриггера приведена в таблице 6.
D-триггеры
D-триггер (D от англ. delay — задержка, либо от data- данные) — запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D
Т-триггеры
Его называют также триггером со счетным входом. Он имеет один управляющий вход Т и два выхода Q и -Q. Информация на выходе такого триггера меняет свой знак на противоположный при каждом положительн
Регистр сдвига
Регистр сдвига – регистр, обеспечивающий помимо хранения информации, сдвиг влево или вправо всех разрядов одновременно на одинаковое число позиций. При этом выдвигаемые за пределы
Счетчики
Счетчиком называется электронная схема, предназначенная для подсчета числа сигналов, поступающих на его счетный вход. Счетчики используются в устройстве управления ко
Описание АЛУ
Арифме́тико - логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок центрального процессора, который под управлением устройства управления (УУ) сл
Работа АЛУ.
Предполагается, что операнды хранятся в оперативной памяти.
1. По управляющему сигналу Y1 первое слагаемое (или уменьшаемое при вычитании)поступает из оперативной памяти по B
ЛЕКЦИЯ 8.УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ.
Компьютер условно можно разделить на два основных блока: операционный и управляющий. Для реализации любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого устройства компьютера подать
Схемное устройство управления
Устройство управления схемного типа (рис. 8.1) состоит из:
· датчика сигналов, вырабатывающего последовательность импульсов, равномерно распределенную во времени по своим шин
Датчик сигналов на сдвиговом регистре
Проектирование датчика сигналов на сдвиговом регистре требует лишь его "закольцовывания", то есть соединения выхода последнего разряда с входом, через который в регистр заносится и
ЛЕКЦИЯ 9. ПАМЯТЬ.
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.
Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающим
Оперативная память
Операти́вная па́мять(ОП), Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (англ. Random Access Memory, часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, не
Форматы команд
Запись любой команды определяется ее форматом.
Формат команды – это структура команды, позволяющая распознать назначение отдельных ее полей.
Исходя из определения
Способы адресации
Решить проблему сокращения разрядности команды только за счет сокращения количества указываемых в команде операндов и применения регистровой памяти невозможно. Этой же цели служит использование раз
Прямая адресация.
Физический адрес операнда совпадает с кодом в адресной части команды (рис. 10.4). Формальное обозначение:
Операндi = (Аi),
где Аi – код, со
Косвенная адресация
Адресная часть команды указывает адрес ячейки памяти (рис. 10.6,а) или номер регистра (рис. 10.6,б), в которых содержится адрес операнда:
Операндi = ((Аi
Относительная адресация.
Этот способ используется тогда, когда память логически разбивается на блоки, называемые сегментами. В этом случае адрес ячейки памяти содержит две составляющих: адрес начала сегмента (базовый адрес
Назначение, область применения многопроцессорных вычислительных систем
Многопроцессорные вычислительные системы могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами МВС являются:
· системы высокой надежности ;
SMP-архитектура
SMP (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти,
MPP-архитектура
MPP (massive parallel processing) – массивно-параллельная архитектура. Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена. В этом случае сис
Гибридная архитектура NUMA
Главная особенность гибридной архитектуры NUMA (nonuniform memory access) – неоднородный доступ к памяти .
Гибридная архитектура совмещает достоинства
Архитектура Многопоточных систем
используются для обеспечения единого интерфейса к ряду ресурсов, которые могут со временем произвольно наращиваться (или сокращаться). Типичным примером может служить группа web-серверов.
Конвейерные процессоры
Процессоры современных компьютеров используют особенную технологию – конвейеры, которые позволяют обрабатывать более одной команды одновременно.
Обработка команды м
Матричные процессоры
Наиболее распространенными из систем класса один поток команд – множество потоков данных (SIMD) являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся
Прерывания
Весьма важной частью ВС, обеспечивающей многопрограммность ее работы, является система прерывания программы. Система прерываний реализуется программно и аппаратно. Ее программные блоки в основном в
ЛЕКЦИЯ 13. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ.
Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи компьютеров и/или компьютерного оборудования
Компьютерные сети делятся на
персональн
Топология локальных сетей
Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями
Топология шина
· Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 13.1).
Топология звезда
· Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 13.2.). Инфор
Топология кольцо
· Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одном
Другие топологии
Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Причем, как и в случае звезды, дер
Новости и инфо для студентов