Принцип программного управления
Рассмотренные в первом учебном вопросе принципы фон-Неймана практически можно реализовать различными способами. Рассмотрим один из них: ЭВМ с шинной организацией.
Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В соответствии с приведенными выше принципами фон-Неймана такая ЭВМ имеет в своем составе следующие функциональные блоки (рисунок 4):
центральный процессор;
память;
генератор тактовой частоты;
пульт управления;
порты устройств ввода-вывода;
систему шин.
Центральный процессор (ЦП) – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ, как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. В состав центрального процессора входят арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).
Рисунок 4 – Упрощенная архитектура ЭВМ с шинной организацией
Арифметико-логическое устройство выполняет основную работу по переработке данных, хранимых в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции.
Кроме этого АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов.
АЛУ формирует по двум входным переменным одну выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т. д.). На то, какую функцию выполнять, указывает микрокоманда, получаемая от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе множество различных регистров, например: регистр флагов, регистр данных, регистр аккумулятор, регистр указатель стека, регистры общего назначения и др. Каждому из регистров отводится определенная роль при функционировании центрального процессора. Так регистр флагов предназначен для хранения характеристики результата выполнения операции над данными, регистр данных служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении арифметических и логических операций, регистр аккумулятор используется в процессе вычислений для временного хранения промежуточных результатов (например, результат выполнения операции умножения), регистры общего назначения могут использоваться для временного хранения данных, в качестве аккумуляторов, а также в качестве индексных, базовых, указательных регистров.
Устройство управления(УУ) – часть центрального процессора. Оно вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд. На этапе цикла выборки команды УУ интерпретирует (расшифровывает) команду, выбранную из программной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор команд низкого уровня (микрокоманд) для АЛУ и других устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др.
В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства – регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения, программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды, регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти.
Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, запись адреса в программный счетчик, пошаговое выполнение программы при ее отладке и т. д.
Генератор тактовой частотыпредназначен для формирования тактовых импульсов, синхронизирующих работу всех блоков и узлов ЭВМ.
Память – устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Память способна выполнять два вида операций над данными – чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего. Минимально адресуемым элементом памяти является байт – поле из 8 бит.
В зависимости от длительности хранения информации различают оперативную память (RAM) и постоянную память (ROM). Устройства, выполняющие соответствующие функции, получили названия:
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – это устройство, которое предназначено для записи, хранения и выдачи программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов расчетов;
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это устройство, которое предназначено только для хранения и выдачи информации. Как правило, запись информации в такую память осуществляется при ее изготовлении.
Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т. п. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количество информации. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. На практике эти два требования являются несовместимыми. Поэтому в ЭВМ существует несколько типов запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.
Устройства ввода-вывода (периферийные устройства) предназначены для долговременного хранения данных большого объема и программ (устройства внешней памяти), а также для связи ЭВМ с пользователями, другими ЭВМ и т. д. (коммуникационные устройства). Обмен данными между ЭВМ и периферийными устройствами осуществляется через порты ввода-вывода. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера – адреса портов ввода-вывода.
Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством системы шин, состоящей из шины данных, по которой происходит обмен информацией между блоками ЭВМ, шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение) и шины управления, по которой передаются управляющие сигналы. Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистральюилисистемным интерфейсом. Каждая шина состоит из отдельных проводников (линий). Количество линий в шине зависит от разрядности передаваемых по шине данных (адреса, сигналов управления).
Функционирование ЭВМ с шинной структурой можно описать следующим обобщенным алгоритмом (рисунок 5):
1. Инициализация. После включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное ее назначение – загрузить в память с устройства внешней памяти операционную систему.
Эта программа может быть размещена в энергонезависимом устройстве памяти или автоматически считываться с некоторого устройства внешней памяти. На этапе инициализации программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной выше.
2. Центральный процессор производит операцию считывания командыиз памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика.
3. Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируетсяпроцессором как команда и помещается в регистр комады. Устройство управления приступает к интерпретации прочитанной команды. По информации, находящейся в поле кода операции первого слова команды, устройство управления определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.
Рисунок 5 – Обобщенный алгоритм функционирования
фон-неймановской ЭВМ
4. По содержимому адресных полей команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.
5. Устройство управления и АЛУ выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т. д.).
6. Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память.
7. Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1. Последовательность действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 называется циклом процессора.
Большинство мини- и микро-ЭВМ имеют шинную организацию и их функционирование описывается приведенным выше алгоритмом. В различных конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может несколько отличаться. Так, например, процессор может считывать из памяти не одну команду, а сразу несколько и хранить их в специальной очереди команд. Используемые программой команды и данные могут храниться не в основной памяти ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и т. д.
Доцент С.А Сильвашко