Функциональная схема фон-неймановской вычислительной машины

Чтобы получить более детальное представление о структуре и функциях устройств ВМ, обратимся к схеме гипотетической машины с аккумуляторной архитектурой, показанной на рисунке 8.

Рисунок 8. Функциональная схема гипотетической фон-неймановской ВМ

Приняты следующие характеристики машины:

1. Команды одноадресные. Адресная часть команды содержит только один адрес. При выполнении операций с двумя операндами предполагается, что другой операнд находится в специальном регистре АЛУ – аккумуляторе, а результат также остается в аккумуляторе.

2. Единство форматов. Длина команд и данных совпадает с разрядностью ячеек памяти, то есть любая команда или операнд занимают только одну ячейку памяти. Таким образом, адрес очередной команды в памяти может быть получен путем прибавления единицы к адресу текущей команды, а для извлечения из памяти любой команды или любого операнда достаточно одного обращения к памяти.

На функциональной схеме показаны типовые узлы каждого из основных устройств ВМ, а также сигналы, инициирующие выполнение отдельных операций по пересылке информации и ее обработке, необходимых для функционирования машины.

Рассмотрим назначение отдельных узлов ВМ.

Устройство управления (УУ). Эта часть ВМ организует автоматическое выполнение программ и функционирование ВМ как единой системы. Оно содержит:

а. Счетчик команд (СК). Это неотъемлемый элемент устройства управления любой ВМ, построенной в соответствии с фон-неймановским принципом программного управления. Согласно этому принципу соседние команды программы располагаются в ячейках памяти со следующими по порядку адресами и выполняются преимущественно в той же очередности, в какой они размещены в памяти ВМ. Таким образом, адрес очередной команды может быть получен путем увеличения адреса команды, из которой была считана текущая команда, на длину выполняемой команды, представленную числом занимаемых ею ячеек. Реализацию такого режима и призван обеспечивать счетчик команд – двоичный счетчик, в котором хранится и модифицируется адрес очередной команды программы. Перед началом вычислений в СК заносится адрес ячейки основной памяти, где хранится команда, которая должна быть выполнена первой. В процессе выполнения каждой команды путем увеличения содержимого СК на длину выполняемой команды в счетчике формируется адрес следующей подлежащей выполнению команды. В рассматриваемой ВМ любая команда занимает одну ячейку, поэтому содержимое СК увеличивается на единицу, что обеспечивается подачей сигнала управления +1СК. По завершении текущей команды адрес следующей команды программы всегда берется из счетчика команд. Для изменения естественного порядка вычислений (перехода в иную точку программы) достаточно занести в СК адрес точки перехода. Разработчики ВМ используют иные названия СК, в частности программный счетчик (PC, Program Counter) или указатель команды (IP, Instruction Pointer).

б. Регистр команды (РК). Счетчик команд определяет лишь местоположение команды в памяти, но не содержит информации о том, что это за команда. Чтобы приступить к выполнению команды, ее необходимо извлечь из памяти и разместить в регистре команды. Этот этап носит название выборки команды. Только с момента загрузки команды в РК она становится “видимой” для процессора. В РК команда хранится в течение всего времени ее выполнения. Как уже отмечалось ранее, любая команда содержит два поля: поле кода операции и поле адресной части. Учитывая это обстоятельство, регистр команды иногда рассматривают как совокупность двух регистров – регистра кода операции (РКОп) и регистра адреса (РА), в которых хранятся соответствующие составляющие команды. Если команда занимает несколько последовательных ячеек, то код операции всегда находится в том слове команды, которое извлекается из памяти первым. Это позволяет по коду операции определить, требуются ли считывание из памяти и загрузка в РК остальных слов команды. Собственно выполнение команды начинается только после занесения в РК ее полного кода.

в. Указатель стека (УС) – это регистр, где хранится адрес вершины стека. В реальных вычислительных машинах стек реализуется в виде участка основной памяти, обычно расположенного в области наибольших адресов. Заполнение стека происходит в сторону уменьшения адресов, при этом вершина стека – это ячейка, куда была произведена последняя по времени запись. Для хранения адреса такой ячейки и предназначен УС. При выполнении операции push (занесение в стек) содержимое УС с помощью сигнала -1УС сначала уменьшается на единицу, после чего используется в качестве адреса, по которому производится запись. Соответствующая ячейка становится новой вершиной стека. Считывание из стека (операция pop) происходит из ячейки, на которую указывает текущий адрес в УС, после чего содержимое указателя стека сигналом +1УС увеличивается на единицу. Таким образом, вершина стека опускается, а считанное слово считается удаленным из стека. Хотя физически считанное слово и осталось в ячейке памяти, при следующей записи в стек оно будет заменено новой информацией.

г. Регистр адреса памяти (РАП) предназначен для хранения адреса ячейки основной памяти вплоть до завершения операции (считывание или запись) с этой ячейкой. Наличие РАП позволяет компенсировать различия в быстродействии основной памяти (ОП) и прочих устройств машины.

д. Регистр данных памяти (РДП) призван компенсировать разницу в быстродействии запоминающих устройств и устройств, выступающих в роли источников и потребителей хранимой информации. В РДП при чтении заносится содержимое ячейки ОП, а при записи – помещается информация, подлежащая сохранению в ячейке ОП. Собственно момент считывания и записи в ячейку определяется сигналами ЧтЗУ и ЗпЗУ соответственно.

е. Дешифратор кода операции (ДКОп) преобразует код операции в форму, требуемую для работы микропрограммного автомата (МПА). Информация после декодирования определяет последующие действия МПА, а ее вид зависит от организации МПА. В рассматриваемой ВМ – это унитарный код УнитК. Часто код операции преобразуется в адрес первой команды микропрограммы, реализующей указанную в команде операцию. С этих позиций ДКОп правильнее было бы назвать не дешифратором, а преобразователем кодов.

ж. Микропрограммный автомат (МПА) можно считать центральным узлом устройства управления. Именно МПА формирует последовательность сигналов управления, в соответствии с которыми производятся все действия, необходимые для выборки из памяти и выполнения команд. Исходной информацией для МПА служат: декодированный код операции, состояние признаков (флагов), характеризующих результат предшествующих вычислений, а также внешние запросы на прерывание текущей программы и переход на программу обслуживания прерывания.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для арифметической и логической обработки данных. В нашей машине оно содержит следующие узлы:

а. Операционный блок (ОПБ) – представляет собой ту часть АЛУ, которая, собственно, и выполняет арифметические и логические операции над поданными на вход операндами. Выбор конкретной операции из возможного списка операций для данного ОПБ определяется кодом операции команды. В нашей ВМ код операции поступает непосредственно из регистра команды. В реальных машинах КОп зачастую преобразуется в МПА в иную форму и уже из микропрограммного автомата поступает в АЛУ. Операционные блоки современных АЛУ строятся как комбинационные схемы, то есть они не обладают внутренней памятью и до момента сохранения результата операнды должны присутствовать на входе блока.

б. Регистры операндов РХ и PY обеспечивают сохранение операндов на входе операционного блока вплоть до получения результата операции и его записи (в нашем случае в аккумулятор).

в. Регистр признаков (РПрз) предназначен для фиксации и хранения признаков (флагов), характеризующих результат последней выполненной арифметической или логической операции. Такие признаки могут информировать о равенстве результата нулю, о знаке результата, о возникновении переноса из старшего разряда, переполнении разрядной сетки и т. д. Содержимое РПрз обычно используется устройством управления для реализации условных переходов по результатам операций АЛУ. Под каждый из возможных признаков отводится один разряд РПрз. Формирование признаков осуществляется блоком формирования состояний регистра признаков, который может входить в состав ОПБ, либо реализуется в виде внешней схемы, располагаемой между операционным блоком и РПрз.

г. Аккумулятор (Акк) – это регистр, на который возлагаются самые разнообразные функции. Так, в него предварительно загружается один из операндов, участвующих в арифметической или логической операции. В Акк может храниться результат предыдущей команды и в него же заносится результат очередной операции. Через Акк зачастую производятся операции ввода и вывода. Строго говоря, аккумулятор в равной мере можно отнести как к АЛУ, так и к УУ, а в ВМ с регистровой архитектурой его можно рассматривать как один из регистров общего назначения.

Основная память (ОП) представляет собой массив запоминающих элементов (ЗЭ), организованных в виде ячеек, способных хранить некую единицу информации, обычно один байт. Каждая ячейка имеет уникальный адрес. Ячейки ОП организованы в виде матрицы, а выбор ячейки осуществляется путем подачи разрешающих сигналов на соответствующие строку и столбец этой матрицы. Это обеспечивается дешифратором адреса памяти, преобразующим поступивший из РАП адрес ячейки в разрешающие сигналы, подаваемые в горизонтальную и вертикальную линии, на пересечении которых расположена адресуемая ячейка. При современной емкости ОП для реа­лизации данных сигналов приходится использовать несколько микросхем запо­минающих устройств (ЗУ). В этих условиях процесс обращения к ячейке состоит из выбора нужной микросхемы (на основании старших разрядов адреса) и выбора ячейки внутри микросхемы (определяется младшими разрядами адреса). Первая часть процедуры производится внешними схемами, а вторая – внутри микросхем ЗУ.

Модуль ввода/вывода (МВВ). Задачей МВВ является обеспечение подключения к ВМ различных периферийных устройств (ПУ) и обмена информацией с ними. В рассматриваемом варианте МВВ состоит из дешифратора номера порта ввода/вывода, множества портов ввода и множества портов вывода. Рассмотрим эти узлы:

а. Порты ввода и порты вывода. Портом называют схему, ответственную за передачу информации из периферийного устройства ввода в аккумулятор АЛУ (порт ввода) или из аккумулятора на периферийное устройство вывода (порт вывода). Схема обеспечивает электрическое и логическое сопряжение ВМ с подключенным к нему периферийным устройством.

б. Дешифратор номера порта ввода/вывода (ДВВ). В модуле ввода/вывода рассматриваемой ВМ предполагается, что каждое ПУ подключается к своему порту. Каждый порт имеет уникальный номер, который указывается в адресной части команд ввода/вывода. Дешифратор номера порта ввода/вывода обеспечивает преобразование номера порта в сигнал, разрешающий операцию ввода или вывода на соответствующем порте. Непосредственно ввод (вывод) происходит при поступлении из МПА сигнала Вв (Выв).