1Принципы программного управления. Обобщенная структура ЭВМ с архитектурой фон-Неймана

В основу функционирования всех систем положен ППУ. Он опирается на несколько положений. В основе ППУ лежит представление алгоритма в форме операторной схемы, которая задает правила вычислений, как последовательность операторов двух типов:

1) операторов обеспечивающих преобразование либо перемещение информации;

2) операторов анализирующих информацию с целью определения порядка выполнения операций.

Применительно к ВМ получил способ реализации ППУ Фон Нейман в 1945 г.

Фон-неймановские принципы: 1)Инфомация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, а длинные коды надо формировать в слова. (группы)

2)Разнотипные слова информации различаются по способу использования, а не внешним видом.

3) Набор операций также кодируется 2-мя кодами и эти коды кодируются машинными командами.

4)Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют наименование операции и слова информации, участвующие в операции. С точки зрения аппаратуры управляющее слово называется машинной командой. Алгоритм представленный в терминах машинных команд называется программой.

5)Отсутствуют внешние различия между командами и данными.

6) Все 2-ые коды и команды размещаются в одной памяти. (признак фон-Неймоновской структуры) и идентифицируются номерами ячеек памяти (или адресами).

7)Память является линейной, она одномерна. Имеет вид вектора слов с последовательными адресами (0,1,2,3,...). Теоретически границ нет.

8)Память может выполнять 3 действия :

1)Хранить инфу

2)Обеспечить доступ к ячейке при подаче на вход соотв номера ячейки или адреса.

3) При обращении к ячеек в 2 операции

a) Чтение ячейки с сохранением содержимого

b) Замена содержимого внешним кодом (запись)

4) В процессе решения любой задачи запись в виде алгоритма, записанного в виде терминов машинных команд – называется машинной программой.

Как работает машина фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из ЗУ,АЛУ, УУ, а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы.

1.

УВВ - устройство ввода/вывода

2.

Первая структура IBM System 360. Применялись в машинах по решению инженерных задач.

Американцы назвали «пережёвыватели формул».

3. Система с общей шиной

2-ая и 3-я возникли почти одновременно

Применялись в машинах для решения задач автоматизации процессов.
Мультипрограммный режим – это, когда одновременно на машине выполняется несколько программ. (Обслуживание процессором идет по очереди нескольких программ).

Время:

1. 
   Обработка кодов
   
2. 
   Ввод/вывод.
   

В основу функционирования всех систем положен ППУ. Он опирается на несколько положений. Любую задачу можно свести к последовательности действий.

В основу функционирования всех систем положен ППУ. Он опирается на несколько положений. В основе ППУ лежит представление алгоритма в форме операторной схемы, которая задает правила вычислений, как последовательность операторов двух типов:

1) операторов обеспечивающих преобразование либо перемещение информации;

2) операторов анализирующих информацию с целью определения порядка выполнения операций.

Применительно к ВМ получил способ реализации ППУ Фон Нейман в 1945 г.

2)Разнотипные слова информации различаются по способу использования, а не внешним видом.

3) Набор операций также кодируется 2-мя кодами и эти коды кодируются машинными командами.

4)Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют наименование операции и слова информации, участвующие в операции. С точки зрения аппаратуры управляющее слово называется машинной командой. Алгоритм представленный в терминах машинных команд называется программой.

5)Отсутствуют внешние различия между командами и данными.

6) Все 2-ые коды и команды размещаются в одной памяти. (признак фон-Неймоновской структуры) и идентифицируются номерами ячеек памяти (или адресами).

7)Память является линейной, она одномерна. Имеет вид вектора слов с последовательными адресами (0,1,2,3,...). Теоретически границ нет.

8)Память может выполнять 3 действия :

1)Хранить инфу

2)Обеспечить доступ к ячейке при подаче на вход соотв номера ячейки или адреса.

3) При обращении к ячеек в 2 операции

a) Чтение ячейки с сохранением содержимого

b) Замена содержимого внешним кодом (запись)

4) В процессе решения любой задачи запись в виде алгоритма, записанного в виде терминов машинных команд – называется машинной программой.

Однако анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных   МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Последовательность действий, которые выполняет ЦП:

1. 
   Выставляет адрес команды
   
2. 
   Читает команду из памяти
   
3. 
   Формирует адрес следующей команды
   
4. 
   Расшифровывает операцию
   
5. 
   Читает операнд (если нужно)
   
6. 
   Выполняет действия, предписанные командой (если нужно)
   
7. 
   Записывает результаты в память (если нужно)
   

Во внешний мир выходит 3 группами сигналов: шина адреса, данных, управления.

С точки зрения цифровых автоматов процессор состоит из двух частей: управляющий автомат и операционный автомат.

В операционном автомате набор регистров и комбинационная схема. В управляющем автомате генератор пространственно-временных кодов.

Внутри ЦП:

• 
  блок обработки данных (кодов).
  
• 
  набор регистров, чтобы можно было хранить кодовую операцию на момент выполнения каких либо действий (код на время такта - обязательно).
  
• 
  устройство управления.
  

должен уметь принять команду из внешнего мира и хранить ее в течение времени выполнения команды; имеется регистр команд и устройство дешифрации.

В АЛУ должно быть как минимум две кодовых группы на вход и одна на выход, т.е. исходные данные и результат.

В простейшем случае представляет комбинационную схему: 2 входа для операнда А и В. Код операции – определяет конкретные операции кодов, которые поступают.

Разрядность АЛУ и есть разрядность процессора (т.е. если АЛУ имеет 64 разряда, а обрабатывает 32, то процессор будет 32 разрядный).

Кроме результата данных АЛУ вырабатывает признаки результата ( от 4 до 6 разрядов) – чтобы организовать алгоритм выполнения сложных действий. Признаки нужны для дальнейшего движения по программе.

Признаки:

1. 
   Признак знака результата (1,s0)
   
2. 
   Признак нуля (1,s=0…0,s!=0)
   
3. 
   Признак переноса (с), для обработки кодов большой длины
   
4. 
   Признак переполнения разрядной сетки (A). Может возникнуть в случае когда данные выходят за знак
   
5. 
   Признак паритета (признак четности) (P) АЛУ считает четное число или нет “1”
   

Для расширения возможностей встраиваются доп блоки. Для плавающей точки 2 АЛУ, 1 для мантиссы, другой для порядков т.е это уже на аппаратном уровне, а не на программном.

1. программно видимые

2. программно невидимые

Программно-видимый регистр – это такой регистр, содержимое которого мы можем изменить с помощью программы, он является частью программной модели машины с которой мы работаем- это регистры для хранения и явного преобразования данных, кодов и управления.

Регистры общего назначения – это регистры, которые в разных ситуациях могут использоваться по разному. В Intel процессорах РОН являются функционально закрепленными.

Регистры данных : регистры в которые записываются опереанды. Аккумулятор, если ЦП простой то он один, больше для сложны ЦП. Уменьшает длину команды.

Регистры адреса : связаны с адресом

IP- программный счетчик (указатель команд) разрядность регистра может быть разной

SP- указатель стека (безадресная память с точки зрения пользователя, а с аппаратной нет)

Регистр базы –для адресации

Индексные регистры

Регистры управления- для управления процессором

Пример. Указатель стека – предназначен для реализации памяти.А=А*В – если преобразование кодов идет вот так, то резко уменьшается число обращений во внешний мир. Но ухудшается длительность программы. Программно-невидимый программисту недоступен.

Буферная память 1)ассоциативная 2)магазинного типа (стек)

Многие алгоритмы опираются на стековую память.

Общая идея обмана (как бы есть стековая виртуальная память).

РА-регистр адреса. Имитация стековой памяти.

Устройство управления - это управляющий автомат. УУ вырабатывает синхроимпульсы в нужное время в нужные места.

yi={0,1}; x={0,1}

Задача УУ – выборка управляющих воздействий на основе алгоритма и сигналов состояния объекта

Yt=yn,yn-1,...,y1,y0 - выходные сигналы управления

_

X=xn,...,x0

Управляющий автомат генерирует сигнал.

Набор сигналов (проводников) А называют шиной адреса (ША).

2)Данные – кодовая группа, которая извлекается из памяти. Может быть шина данных входных и выходных (DI и DO) сигналов. m – ширина шины даннх.

В классической модели (Фон Неймана) не может быть выполнено много действий; их всего 3:

1. Хранение информации

2. Запись информации

3. Выдача информации

Т.е. здесь одновременно записи и чтения не может быть, следовательно шина может быть двунаправленной, но в каждый заданный момент времени она передает данные лишь в одном направлении.

Те линии по которым передаются данные называются шиной данных(ШД).

3. 
   Набор сигналов управления, которые поступают на модуль (С) – их не меньше чем 2 провода: один провод – чтение и запись, другой сигнализация или сигнал чтения и сигнал записи. И еще дополнительный третий провод сигнал разрешения работы.
   

2 фазы работы ЭВМ (цикла команд).

1)Чтение команды

2)Выполнение команды

Эти фазы замкнуты между собой

Цикл команды – временной отрезок, в течение которого выполняется цикл алгоритма. Цикл команды, скорее всего величина переменная. Можно построить системы с постоянными циклами команд (управление будет проще, набор команд будет не любой). Первый адрес (пусковой адрес) должен быть где-то заложен (запаян на этапе изготовления), либо задается извне на внешних выводах процессора. Цикл команды процессора - время выполнения одной команды.

Совокупность сигналов, которыми процессор выходит во внешний мир, называется шиной. Цикл процессорной шины - некоторое законченное действие по взаимодействию с внешней средой. Циклов шины может быть много. Цикл шины (магистрали) – это совокупность служебных операций передатчика и приемника, необходимых для реализации конкретной процедуры обмена по ОМ между двумя устройствами ЭВМ..Длительность цикла шины (магистрали) – это интервал времени, необходимый для реализации конкретной однократной процедуры обмена по ОМ между двумя устройствами ЭВМ. Основные циклы : чтение памяти, запись в память. Возможные циклы: чтение ввода-вывода, запись в ввод-вывод и т.д.
4Система команд ЦП: основные типы и форматы.

Система команд – набор команд, который процессор умеет выполнять. Считывание команд должно выполнять ряд условий:

1. 
   функциональная полнота (система команд должна позволить реализовать любой алгоритм)
   
2. 
   ввод команд должен быть удобным (эффективный)
   

1. 
   Изменения ячейки памяти на 1
   
2. 
   Пересылка кода из одной ячейки памяти в другую
   
3. 
   Команда ветвления по равенству 0 к содержимому ячейки памяти (условный переход)
   

(лог. и арифм. операции пр-я кодов, реализация функций (сильно зависит от орентации процессора))

(пересылка из одной ЯП в др., команда обмена данными м\д внутренним регистром и памятью, пересылка регистррегистр, работа с ВУ: с регистрами I\O.)

команды изменения порядка выборки:

безусловные команды (действие команд не зависит ни от чего).

условие (действие зависит от условия).

команды изменения режима работы процессора (HALT,STOP-ожидает прерывание ,WAIT). Режим пользователя (вып. привилегиров. команд, режим системы (вып. все команды).

• 
  команды перехода
  
• 
  команды перехода с возвратом (программные прерывания и команды обращения к процедурам (CALL)).
  
• 
  команды цикла
  

Программа представленная в виде кодов называется машинной командой. Формат команды - структура, привязанная к разрядной сетке.

2-х адресная : A=A*B

1-адресная : ФМ=ФМ*A

Способ адресации – способ указания операндов в команде. Базовыми являются:

Помимо перечисленных имеются и более сложные способы адресации:

индексная, относительная и др., однако в простейших МП они не используются .

Адресация может быть абсолютной или неабсолютной. При абсолютной адресации обратиться к ячейке памяти или ВУ можно только по одному-единственному адресу. При неабсолютной адресации для ячейки памяти или ВУ можно выделить некоторую зону адресов. Иными словами, абсолютная адресация требует полного декодирования адреса, а неабсолютная — частичного, что упрощает схемы декодирования