Программный принцип управления.

 

Компьютер устроен так, что для решения новой задачи не надо изменять его устройство, достаточно только установить и запустить подходящую программу.

   В любой момент времени компьютер работает под управлением какой-то конкретной программы.

   Сразу после включения в оперативную память загружается ядро операционной системы и драйвера внешних устройств.

    Затем пользователь может загрузить то программное обеспечение, с которым он собирается работать (текстовый или графический редактор, систему управления базами данных и т.п.).

    Завершив работу с одной из программ, можно выйти из нее и загрузить другую.

   Некоторые операционные системы (например, Windows), поддерживают многозадачность (параллельное выполнение нескольких программ).

   Компьютерная программа содержит инструкции (команды), составленные на понятном компьютеру языке.

   Программа указывает компьютеру, каким образом надо обрабатывать данные для получения желаемого результата.

Джоном фон Нейманом в 1945 г. были описаны основные принципы построения компьютеров, которые до сих пор являются стандартом практически для всех компьютеров. Одним из них является программное управление.

В основе принципа программного управления лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Алгоритм – точное предписание, определяющее процесс преобразования исходных данных в конечный результат. При решении задачи применим общий алгоритм:

1) получить исходные данные;

2) найти решение;

3) сообщить ответ.

Программа – это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке. Программа описывает операции, которые нужно выполнить процессору компьютера для решения поставленной задачи.

Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.

Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение.

Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических действий, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Команда – это инструкция машине на выполнение элементарной операции. Набор операций, которые может выполнять компьютер, и правил их записи образуют машинный язык.

Структура команды в общем случае имеет вид:

КОП Код операции

А1 Адрес 1-го операнда

А2 Адрес       2-го операнда

А3 Адрес помещения результата

А4 Адрес следующей команды

Исторически сложилась тенденция к увеличению количества команд в машинном языке. Разработчики считали, что чем больше в нем команд, тем шире возможности по обработке данных. В настоящее время совершается переход на RISC-процессоры, основной характеристикой которых является сокращение набора команд и упрощение их структуры.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды расположены в памяти друг за другом, организуется выборка цепочки команд из последовательно распложенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой ячейке, то используются команды условного и безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Суть принципа программного управления заключается в следующем:

1. все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд;

1. каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адрес) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – это переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список всех переменных (входных и данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является неотъемлемым элементом любой программы;

3. для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса, в качестве которых выступают номера ячеек памяти компьютера, предназначенных для хранения объектов;

1. команды программы расположены в памяти друг за другом, что позволяет микропроцессору организовывать выборку цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти и выполнять команду за командой.
2. для перехода к выполнению не следующей по порядку команды, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Для того чтобы обеспечить последовательное выполнение команд выполняется следующее:

К адресу первой команды прибавляется её длина (в байтах), таким образом определяется адрес второй команды. После выполнения второй команды к её адресу прибавляется её длина и определяется адрес третей команды и.т.д. Если процесс нарушается, выполняется процесс условного перехода.

Код операции – код, находящийся в оперативной части; определяет какая именно операция выполняется. занимает 8 бит

Микрооперация – элементарное действие внутри Вычислительной Машины.

Адресная часть – часть, где хранятся адреса.
команды бывают одно-, двух-, трехадресные и безадресные(испольщуются для уменьшения числа обращений к оперативной памяти)

Регистр команд – регистр, после помещения в который, тело команды начнет выполняться.

Команды дробятся на микрокоманды. Микрокоманды и микрооперации находяятся в постоянной памяти.

Каждой микрокоманде может соответствовать одна или несколько микроопераций

Принцип программного управления обеспечивает универсальность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача по соответственно выбранной программе. После ее завершения в память загружается другая программа и т.д.

Следующие принципы архитектуры фон Немана:

Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Память компьютера должна состоять из некоторого числа пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к сохраненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.