ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ ПАПЯТИ
Программное управление. Структура и форматы команд.
Вычислительная система – мощное средство для обработки цифровой информации, два блока: операционный, управляющий.
Операционный блок: регистры, сумматоры, процессоры, каналы ввода-вывода, контроллеры.
Операционные устройства: операционный автомат(ОА) и управляющий автомат(УА).
Стартовые сигналы(сигналы кода операции) – сигналы, содержащие информацию о начале выполнения определенной операции.
Оповещательные(осведомительные) сигналы – сигналы реакции системы.
Микрооперация – элементарный неделимый шаг обработки информации.
Микрокоманда – элементарная инструкция компьютеру, которая выполняется автоматически, без каких-либо дополнительных инструкций.
Команда – машинный код, определяющий какую операцию и над какими данным выполнять.
Операнд – минимальное содержимое регистра памяти.
Алгоритм(микропрограмма) – точно определенная последовательность команд, которую необходимо выполнить над исходными данными для преобразования их в конечный результат.
Микропрограммный автомат(МПА) – управляющий автомат, реализующий микропрограмму выполнения операций обработки информации.
Язык схем алгоритмов – графический язык.
Автомат с жесткой логикой строится на базе использования логических элементов и элементов памяти.
Автомат с программируемой логикой - автомат, для которого алгоритм работы записывается в управляющую память в виде микропрограммы, состоящей из микрокоманд.
Группы команд (по характеру операций):
- арифметическо-логические (арифметические (+, -, *, /), логически (ИЛИ, И, НЕ), сдвигов);
- передача информации во времени и в пространстве;
- управления(операции переходов, вызова подпрограммы, управления состоянием процессора.
Программные прерывания: прерывания от схем контроля, программные прерывания, прерывания ввода-вывода.
Драйверы устройств – программы, включенные в состав супервизора.
Процессор – основное устройство вычислительной системы, предназначенное для реализации принципа программного управления.
Процесс выполнения команд: засылка операндов в регистры памяти à передача кодов операндов à арифметические операции над числами в форме с плавающей и фиксированной запятой à логические операции à операции ввода-вывода данных à операции передачи управления à операции выбора режимов работы компьютера.
Команда состоит из 2 частей: операционной(КОП) и адресной.
Структура команды – состав, назначение, расположение полей.
Формат команды – структура, с разметкой номеров разрядов.
Структуры команд:
-четырехадресные (КОП, A1,A2,A3,A4 – след ячейка)
-трехадресные (КОП, A1,A2,A3,переходит на след ячейку)
-двухадресные (КОП, A1,A2,результат записывается всегда по адресу одного из операндов)
-одноадресные (КОП, А1, один из операндов указывается адресом в команде, в качестве второго используется содержимое внутреннего регистра процессора)
-безадресные (КОП, остальное подразумевается, например при работе со стековой памятью)
Адресный указатель – информация об адресе операнда в команде.
Исполнительный адрес – адрес ячейки или номер регистра.
CISC-архитектрура – компьютер со сложным набором команд.
RISC-архитектура – компьютер с ограниченным набором команд.
Пропускная способность – общее количество работы, выполняемое вычислительной системой в течение определенного временного интервала.
Конвейерная обработка информации – каждая команда находится на разной стадии исполнения.
SISD-архитектура – один поток данных и один поток команд.
MIMD-архитектура – множество потоков команд с множеством потоков данных.
SIMD-архитектура – один поток команд и множество потоков данных.
Баланс нагрузки – динамическое распределение задач между различными процессорами.
Масштабирование – разделение текущей задачи на отдельные подзадачи
Вычисление адресов операндов.
Способ адресации – способ вычисления адреса операнда на основе информации, имеющей в команде.
Поле признаков операции – поле для кодирования признака операции.
Адресный код – информация об адресе операнде, который расположен в команде.
Исполнительны адрес – номер ячейки памяти, к которой происходит фактическое обращение.
Подразумеваемый операнд – в команде не содержится явных указаний об адресе операнда (в счетчике).
Подразумеваемый адрес – в команде не содержится явных указаний об адресе участвующего в операции операнда или адреса, по которому помещается результат операции, этот адрес подразумевается.
Непосредственная адресация – в команде содержится сам операнд.
Прямая адресация – исполнительный адрес совпадает с адресной частью команды.
Относительная адресация или базирование – исполнительны адрес определяется суммой адресного кода команды и некоторого числа.
Базовые регистры – ячейки памяти для хранения базовых адресов.
Укороченная адресация – для уменьшения длины кода команды. Задаются только младшие разряды адресов, старшие подразумеваются нулями.
Регистровая адресация – частный случай укороченной. Но в качестве ячеек памяти используются регистры сверхоперативной или кэш-памяти.
Косвенная адресация – адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда или команды, указывается адресным кодом команды.
Искомый исполнительный адрес – адрес из последней ячейки при косвенной адресации.
Автоинкрементная адресация – сначала содержимое регистра используется как адрес операнда, а затем получает приращение, равное числу байт в элементе массива.
Автодекрементная адресация – сначала содержимое указанного в команде регистра уменьшается на число, равное числу байт в элементе массива, а затем используется как адрес операнда.
Стек – группа последовательно пронумерованных регистров или ячеек памяти.
Теговая адресация – каждое слово оперативной памяти снабжается особым ярлыком или указателем – тегом.
Тег указывает: Тип данных – если описывается операнд, то форму его представления; если имя переменной, то выполняется косвенная ссылка. Режим защиты слова.
Дескриптор – гибкое средство описания массива информации. Содержит информацию об адресных границах массива, его местоположении(внутренняя или внешняя память), типах данных, режиме защите и т. д.
Организация памяти. Структуры адресных запоминающих устройств.
Адресная память – используется адрес хранения слова(числа, команды и т. д.).
Ассоциативная память – поиск нужной информации производится не по адресу, а по содержанию.
Память с разрушающим считыванием – это вид памяти, когда при считывании все запоминающие элементы ячейки устанавливаются в нулевое состояние.
Стековая информация – безадресная, соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись производится в верхнюю ячейку, все, раннее записанные, сдвигаются вниз.
Управляющий автомат – средство для хранения текущих состояний операционных устройств и управления процедурой алгоритмического процесса.
Структура управляющего автомата (автомата Уилкса) с выделенной адресной памятью: выделяют два вида памяти: память адресов микрокоманд и память микрокоманд.
Структура управляющего автомата с общей памятью микрокоманд: содержит единственную общую память микрокоманд.
Структура управляющего автомата с естественной адресацией микрокоманд: содержит счетчик адресов микрокоманд, который определяет переход по одной из двух альтернативных ветвей алгоритма.
АРХИТЕКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Общие принципы функциональной и структурной организации вычислительных систем.
Основа вычислительной системы – аппаратная часть и программное обеспечение.
Функциональные средства для функционирования вычислительных систем: 1. Арифметические коды; 2. Помехозащитные коды; 3. Коды формы; 4. Цифровые коды аналоговых величин.
На функционирование выч. сист. оказ влияние: 1. Алгоритмы формирования и обработки кодов; 2. Технология выполнения различных процедур; 3. Способы использования различных устройств и организация их работы; 4. Устранение негативных явлений.
Функциональная организация – суть составляющей идеологии функционирования вычислительной системы, её образуют: коды, система команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействие hard и soft, способы использования устройств при организации их совместной работы.
Идеология функционирования вычислительной системы может быть организована: аппаратурными, программными, программно-аппаратурными средствами.
Аппаратурная и программно-аппаратурная организация: используются логические узлы вычислительной системы(регистры, дешифраторы, сумматоры, блоки и т. д.).
Программная организация: применяются –exe, - com или tsr-программы, bat-файлы, резидентные или загружаемые драйверы, программы-обработчики прерываний.
Структурная организация – способы реализации функций вычислительной системы.
Совмещение на программном уровне: вычислительные системы приспособлены к работе с одними и теми же программами.
Совмещение на информационном уровне: приспособлены к получению одних и тех же результатов при обработке одной и той же, однотипно представленной информации.
Эмуляторы – программные преобразователи функциональных элементов.
Вычислительная система – совокупность устройств, выполненных на больших интегральных схемах.
Микропроцессорный комплект – комплект интегральных схем.
Устройства: центральные и периферийные.
Центральные устройства – полностью электронные устройства.
Периферийные устройства – электронные или электронно-механические с электронным управлением.
Системная магистраль - узел, связывающий микропроцессорный комплект: шина данных, шина адреса, шина управления.
Центральные устройства выч. сист.: центральный процессор, основная память и ряд доп-ых узлов.
Периферийные устройства: внешние запоминающие устройства(ВЗУ), устройства ввода-вывода(УВВ).
Интерфейс ввода-вывода – логическая последовательность действий вместе с устройствами, реализующими её.
Однопрограммный режим работы – в каждый машинный такт все, кроме одного, устройства находятся в состоянии ожидания.
Многопрограммный режим – в один и тот же машинный такт различные устройства вычислительной системы выполняют либо различные программы, либо разные части одной и той же программы.
Особенности управления основной памятью вычислительной системы и центральным процессором
Трансляция адресного пространства – перенос данных, команд и т. д. в основную память.
Статистическое перемещение – выделение ресурсов производится перед выполнением программы.
Динамическое перемещение – ресурсы для данных выделяются в процессе выполнения программы.
Абсолютная программа – при загрузке данных не происходит никакого изменения адресов в адресном пространстве.(реальная память больше требуемого адресного пространства программы)
Оверлейная структура – разбитие программы на части, которые будут вызываться в оперативную память(ОП) по мере необходимости; рентабельные модули – допускают одновременную работу модуля по нескольким обращениям из разных частей программы.(реальная память меньше требуемого адресного пространства программы)
Абсолютный модуль – требует размещения его в памяти всегда с одного и того же места.
Фрагментация реальной памяти – состояние, когда между программами образуются незанятые участки памяти, характерно для систем со статическим перемещением программ.
Системы с динамическим перемещением программ – программу располагают в свободной части памяти и допускается использование несмежных её участков.
Виртуальная память – основная память, теоретически доступная пользователю, оббьем которой определяется только разрядностью адресной части команд, и которая не существует в действительности.
Ячейка (слот) – записываемая область во внешней страничной памяти.
Загрузить программу в виртуальную память – это означает, переписать несколько программных страниц из внешней страничной памяти в реальную память.
Принудительный страничный обмен – пересылка программой копии не найденной страницы из внешней страничной памяти в реальную.
Режим сканирования ожидаемого события – наблюдение процессором за работой какого-либо устройства, в это время он не должен «отвлекаться» на выполнение другой задачи.
Система прерываний – позволяет выполнять процессору основную работу, не отвлекаясь на проверку состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости.
Прерывания: внутренние(программные и аппаратурные), внешние(поступающие от внешних источников).
Вектор состояния процессора – совокупность значений наиболее существенных информационных элементов.
Обработчик прерывания – программа, затребованная запросом прерывания.
Прерывания: аппаратурные, логические, программные.
Архитектура вычислительной системы – совокупность структур вычислительной системы и её функциональных возможностей.
Память – совокупность устройств, предназначенных для запоминания, хранения и выдачи информации.
Быстродействие памяти: для внутренней – продолжительность операции обращения, для внешней – время доступа и скорость считывания.
Микропроцессорная память – память небольшой емкости, но очень высокого быстродействия.
Сверхоперативная память – в самом микропроцессоре, предназначена для его нужд.
Организация процесса вычислений. Взаимодействие центрального процессора и основной памяти
Процессор – это устройство, которое осуществляет процесс обработки данных и программное управление этим процессом.
Микрооперация => операция => микропрограмма.
Машинный такт – интервал времени выполнения одной или одновременно нескольких микроопераций.
Тактовая частота определяет быстродействие вычислительной системы
Программно-доступные регистры – содержимое может изменяться по операциям, но не изменяется от команды к команде.
Программно-недоступные регистры – рабочие регистры процессора, предназначены для хранения разнообразной информации в процессе выполнения одной команды.
Арифметико-логическое устройство – устройство для выполнения арифметических и логических операций над словами данных и адресами: параллельные, последовательные и параллельно-последовательные; комбинационные и накапливающие.
Арифметико-логические устройства с магистральной структурой: можно четко выделить три точки: входи и выход, тело.
Устройство управления вырабатывает сигналы: выборка очередной команды из памяти, дешифрирование кода команды, формирование адресов операндов, выборка операндов из памяти, передача данных в арифметико-логическое устройство, выполнение а арифметико-логическом устройстве операции, передача полученного в устройстве результата в память, инициирование операции ввода-вывода, организация реакции процессора на запросы прерываний.
Консоль – позволяет отслеживать и влиять на ход вычислительного процесса.
Блок управляющих регистров – для временного хранения управляющей информации.
Блок регистров памяти – содержит регистры сверхоперативной памяти небольшой емкости, повышает быстродействие и логические возможности ЦП.
Блок сопряжения с интерфейсом – обеспечивает захват шин интерфейса и выработку всех необходимых сигналов для выполнения обмена по шинам.
Скорость передачи данных – скорость, с которой биты передаются от одного вычислительного компонента к другому, бит/сек.
Интерфейсный блок – обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью.
Блок управления – обеспечивает реализацию алгоритма работы процессора, передавая последовательности управляющих сигналов в блок регистров, арифметико-логическое устройство и блок сопряжения с интерфейсом и анализируя ответные осведомительные сигналы из этих блоков.
Вычисление адреса команды – к счетчику прибавляется длина команды.
Выборка команды – выяснение длины команды.
Дешифрация команды – первичная дешифрация – определение группы команды и её адресности, вторичная дешифрация – после вычисления адресов операндов.
