Абстрактное центральное устройство.

Перечислим основные понятия и рассмотрим структуру и функции абстрактного центрального устройства ЭВМ (рис. 4.2.), арифметико-логическое устройство (АЛУ) которого предназначено для обработки целых чисел и битовых строк.

Команда, инструкция (instruction) – описание операций, которую нужно выполнить. Каждая команда характеризуется форматом, который определяет ее структуру. Типичная команда содержит:

код операции (КОП), характеризующий тип выполняемого действия;

· адресная часть (АЧ), которая в общем случае включает:

· номера (адреса) индексного (ИР) и базисного (БР) регистров;

· адреса операндов – А1, А2 и.т.д.

Цикл процессора – период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.

Такт работы процессора – промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора.Такт процессора (такт синхронизации) – квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция – выборка, сравнение, пересылка данных.

Рис. 4.2. Структура простейшего центрального устройства ЭВМ

· Выполнение короткой команды – арифметика с ФС (фиксированной запятой - ФЗ), логическая операция – занимает как минимум пять тактов:

· выборка команд;

· расшифровка кода операции/декодирование;

· вычисление адреса и выборка данных из памяти;

· выполнение операции;

· запись результата в память.

Процедура, соответствующая каждому такту, реализуется определенной логической цепью (схемой) процессора, обычно изменяемой микрокомандой.

Регистры процессора - внутренние ячейки процессора, которые служат для хранения информации с практически мгновенным доступом. В отличии от оперативной памяти, для чтения и записи в регистры не нужно обращаться к внешнему устройству через шину, потому что регистры встроены в процессор и являются одной из его основных частей.

Список регистров процессора по типам

Регистры общего назначения Регистр EAX Регистр EBX Регистр ECX Регистр EDX Регистр ESP Регистр EBP Регистр ESI Регистр EDI

Сегментные регистры Регистр CS Регистр DS Регистр SS Регистр ES Регистр FS Регистр GS

Служебные регистры Регистр флагов Регистр EIP Регистр CR0 Регистр CR1 Регистр CR2 Регистр CR3

Назначение регистров процессора

Регистры процессора предназначены для хранения информации, которая в любой момент должна быть доступна процессору. Это самая главная память компьютера. Если сравнить рабочий стол в мастерской с компьютером, то регистры процессора - это заготовки, материалы и чертежи, которые лежат на столе и постоянно используются. Среди всех внутренних регистров процессора можно выделить основные: регистры общего назначения. Это заготовки - данные, над которыми выполняются операции. Их сущность - это возможность быстрого доступа для выполнения операции.

Краткое описание регистров

Регистр EAX Универсальное хранилище. Обычно используется как буферная память для вычислений, передачи параметров и возврата результата выполнения подпрограммы (функции). Часто используется при системных вызовах операционных систем.	Регистр EBX Применяется для указания адреса памяти. Его еще называют регистром базы. Часто используется в командах доступа к оперативной памяти. Обычно используется в паре со смещением.
Регистр ECX Используется для счетчиков. Команды циклов процессора основаны именно на этом регистре. Эти команды автоматически меняют значение этого регистра.	Регистр EDX Применяется для передачи данных. Похож на регистр процессора EAX. Часто используется при системных вызовах операционных систем для передачи параметров.
Регистр ESP Указатель стека. Команды работы со стеком автоматически управляют значением этого регистра.	Регистр EBP Применяется для прямой адресации в стеке. Например, для доступа к локальным (автоматическим) переменным.
Регистр ESI Используется в командах обработки набора байт. Перед использованием этих команд в регистр процессора ESI записывается адрес источника.	Регистр EDI Применяется в командах обработки набора байт. Перед использованием этих команд в регистр ESI записывается адрес назначения.
Регистр CS Указатель на сегмент кода. В защищенном режиме в этот регистр записывается селектор сегмента кода.	Регистр DS Указатель на сегмент данных. В защищенном режиме процессора в этот регистр записывается селектор сегмента данных. Именно этот регистр используется для расчета реального адреса в оперативной памяти по-умолчанию.
Регистр SS Указатель на сегмент стека. В защищенном режиме в этот регистр записывается селектор сегмента стека.	Регистр ES Дополнительный сегментный регистр данных процессора. Часто используется для доступа к статическим данным программы, доступным только для чтения.
Регистр FS Дополнительный сегментный регистр данных. Впервые появился в процессоре Intel 80386.	Регистр GS Дополнительный сегментный регистр данных. Впервые появился в процессоре Intel 80386.
Регистр флагов Битовые поля с флагами состояния. Отражает текущее состояние процессора. Большинство команд меняют биты этого регистра.	Регистр EIP Указатель на исполняемую инструкцию. Обычная запись значения в этот регистр невозможна. Он изменяется при каждом выполнении команды. Команды перехода записывают значение в этот регистр и процессор автоматически переходит на выполнение команд по нужному адресу.
Регистр CR0 Служит для чтения и изменения режима работы микропроцессора. С помощью этого регистра можно перевести процессора в защищенный режим, изменив только 1 бит.	Регистр CR1 Этот регистр зарезервирован и недоступен программисту.
Регистр CR2 В эту ячейку помещается адрес страницы, которая не найдена в памяти при страничной адресации. Служит для организации виртуальной памяти и файла подкачки.	Регистр CR3 Хранит в себе физический адрес каталога страниц при страничной адресации памяти процессора. С помощью этого регистра и каталога страниц процессор определяет какому логическому линейному адресу соответствует та или иная страница физической памяти компьютера.

 

 

5. Арифметико-логическое устройство

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) — блок процессора, который под контролем устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной машинного слова.

Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ.

Арифметико-логическое устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части:

· микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

· операционное устройство, в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

В состав арифметико-логического устройства, условно включается регистры Рг1 — Рг7, которые служат для обработки информации, поступающей из оперативной или пассивной памяти и логические схемы, которые используются для обработки слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления. Различают два вида микрокоманд: внешние — такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нём преобразование информации и внутренние — те, которые генерируются в АЛУ и оказывают влияние на микропрограммное устройство. А результаты вычислений из АЛУ передаются в ОЗУ по кодовым шинам записи.

Все выполняемые в АЛУ операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить на следующие группы:

· операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

· операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

· операции десятичной арифметики;

· операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

· операции специальной арифметики;

· операции над логическими кодами (логические операции);

· операции над алфавитно-цифровыми полями

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают АЛУ:

· для чисел с фиксированной точкой;

· для чисел с плавающей точкой;

· для десятичных чисел.

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций.

 

АЛУ реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора простых операций. Операции АЛУ подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление,...). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ,...). Операции над битами обычно подразумевают сдвиги.

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить на две части:

а) микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

б) операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рисунке 1.

 

Закон переработки информации задает микропрограмма, которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2,..., Аn-1,An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 1 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд.

 

Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2,...,уs, в ОЗУ. Функции регистров, входящих в АЛУ:

Рг1 - сумматор (или сумматоры) - основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;

Рг2, РгЗ - регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции);

Рг4 - адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата;

Ргб - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

Рг7 - i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров является программно-доступной, то есть они могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым. К ним относятся: сумматор, индексные регистры, некоторые вспомогательные регистры.

Остальные регистры программно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе. Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации и логической структуре.

АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования "операция/ режим адресации" базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

 

 

6. Основные принципы организации оперативной памяти. Конкретные системы оперативной памяти