Архитектура ЭВМ. Курс лекций Томск 2013 2 Оглавление
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Системная магистраль . В данном пособии рассматриваются основы организации ЭВМ с магистральной архитектурой. Системная магистраль обеспечивает коммуникационную среду взаимодействия всех устройств ЭВМ с процессором. В частности, к системной магистрали присоединяется и подсистема управления оперативной памятью (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ). Системная магистраль обеспечивает перемещение между процессором и устройствами информации трех видов: адреса, данные, сигналы управления. Внутренняя магистраль. Коммуникационная среда взаимодействия внутренних компонентов процессора. Интерфейсный блок. Осуществляет перемещение информации всех видов между системной и внутренней магистралями. Стрелки: БР1 – буферный регистр первого операнда (R1). БР2 – буферный регистр второго операнда (О2). 1, 2, 3, …, 12 – последовательность действий при выполнении команды. − перемещение данных, − перемещение адреса, − перемещение сигналов управления. 32 Рис. 16. Схема алгоритма выполнения команд простого процессора да нет нет Начало 1 По адресу, содержащемся в счетчике команд, из памяти считывается команда и помещается в регистр команд 2 Счетчик команд увеличивается на величину, соответствующую длине считанной команды, тем самым настраиваясь на адрес следующей команды 4 команда «Останов» Выбрана безадресная команда 3 5 Выполняются действия согласно КОП команды да Конец да да нет нет 8 Адрес перехода из адресной части команды переписывается в счетчик команд 10 Содержимое регистра первого операнда R1 переписывается в ячейку памяти по адресу А2 или обратная пересылка (загрузка) 7 Условие перехода выполняется 6 Выбрана команда перехода 12 АЛУ выполняет требуемую операцию да 9 Выбрана команда пересылки 11 Из хранилища (регистра или ячейки памяти) по адресу О2 извлекается содержимое (значение второго операнда) и пересылается в АЛУ нет 33 Рис. 17. Упрощенная схема выполнения машинной команды Рассмотрим искомую последовательность действий подробнее. 1. Адрес команды, которая должна быть выполнена, пересылается из Счетчика команд в ОЗУ. 2. Выбранная из ОП команда загружается в Регистр команд. 3 Устройство управления (УУ) определяет длину команды и увеличивает значение Счетчика команд, настраивая его содержимое на адрес в ОП следующей команды, которая должна быть выполнена. 4. УУ расшифровывает КОП выполняемой команды, формирует сигналы управления и пересылает их в АЛУ. 5. УУ расшифровывает адрес первого операнда (номер РОН R1) и формирует управляющие сигналы на выборку содержимого соответствующего регистра. 6. Содержимое регистра первого операнда по внутренней магистрали пересылается в БР1. 7. УУ расшифровывает адрес второго операнда О2. Возможны два варианта. Вариант 1. 7а. Второй операнд – номер РОН. УУ формирует управляющие сигналы на выборку содержимого соответствующего регистра. 8а. Содержимое регистра второго операнда пересылается во внутреннюю магистраль. Вариант 2. 7в. Второй операнд – адрес ОП. УУ пересылает искомый адрес в Регистр адреса, после чего следует запрос к ОЗУ на выборку содержимого требуемой ячейки ОП. 8в. Содержимое ячейки ОП пересылается по системной магистрали во внутреннюю магистраль процессора. 8. Значение второго операнда пересылается в БР2. 9. АЛУ выполняет требуемую операцию. 10. Результат реализованной операции поступает в Сумматор. 11. Содержимое Сумматора пересылается в регистр R1. 12. Признаки результата, сформированные АЛУ, пересылаются в регистр флагов (регистр состояний) и из него – в УУ. 9 УУ С и с т е м н а я м а г и с т р а л ь Регистр адреса Счетчик команд 1 3 7в 7в Интерфейсный блок 2 Регистр команд КОП R1 O2 4 5 7а 12 Регистр флагов Сумматор 10 11 РОНы 0 1 2 . . . 7а 5 АЛУ БР1 БР2 8 6 11 6 8а В н у т р е н н я я м а г и с т р а л ь 8в 34 Очевидно, что данная схема предельно упрощена и дает самые общие представления о функционировании универсального центрального процессора. 6. ПОДСИСТЕМА ПАМЯТИ 6. 1. Структура и характеристики памяти Структура памяти. Память состоит из огромного числа элементов памяти, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний, кодируемых двоичной цифрой 0 или 1 (биты, кодирующие состояния элементов). Биты памяти группируются в более крупные единицы хранения информации, минимальной из которых является байт. Вне зависимости от модели ЭВМ длина байта информации фиксирована и составляет 8 бит (двоичных разрядов). Замечание. Одной из характеристик ЭВМ является длина машинного слова. В различных моделях ЭВМ (точнее, процессорах) размер машинного слова различен (8 бит, 16 бит, 32 бита, 64 бита) и зависит от соответствующей характеристики шины данных системной магистрали. Модули памяти (хранилища информации) различного типа, объединяясь с соответствующими блоками управления, образуют класс запоминающих устройств (ЗУ), например, оперативная память (ОП) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Часто, однако, понятия памяти и запоминающего устройства используют как синонимы. Ниже перечисляются характеристики памяти и основные параметры, определяющие различные типы памяти. Информационная емкость. Информационная емкость (или просто емкость) памяти выражается в количестве битов, байтов или слов; так как эта емкость может быть очень велика, обычно используют более крупные единицы, образованные присоединением приставок К (кило - 2 10 =1024), М (мега - 2 20 =1048676), Г (гига – 2 30 =1073741824), Т (тера - 2 40 = 1 099 511 627 776) к перечисленным единицам. Операции с памятью. В отличие от других функциональных схем, занимающихся переработкой и преобразованием информации, запоминающие устройства выполняют только одну функцию - хранение информации. Поэтому к запоминающим устройствам могут быть применены только две операции - ЧТЕНИЕ (ВЫБОРКА) и ЗАПИСЬ. В любой момент, обратившись к памяти, можно получить содержимое хранимого там слова, то есть реализовать операцию ЧТЕНИЯ из памяти. Большинство запоминающих устройств устроены таким образом, что процесс выборки не меняет их содержимого - они как бы выдают во вне копию информации, которая в них продолжает храниться. Таким образом, один раз записав слово, можно сколько угодно раз получать его копии. При операции ЗАПИСИ в память старое содержимое безвозвратно теряется и замещается новой информацией. Цикл считывания и цикл записи определяются, соответственно, как время от момента выдачи процессором сигнала на считывание или запись и поступления информации, необходимой для выполнения операции, до того момента, когда заканчиваются все действия, связанные с выполняемой операцией, и память будет готова реализовать следующую операцию. Иногда, при совпадении продолжительности этих циклов, используют обобщенный термин - цикл памяти. Способ выборки информации. Различают два основных типа запоминающих устройств: с произвольной выборкой и последовательной выборкой. Байт Биты 7 6 5 4 3 2 1 0 35 При произвольной выборке время доступа к заданному слову не зависит от местонахождения этого слова в памяти, при последовательной - зависит. Методы размещения и поиска информации. По этим признакам различают следующие виды основной памяти ЭВМ: адресная, стековая и ассоциативная. Доступ к информации в адресной памяти производится по адресу ячейки, начиная с которой информация в памяти располагается (очевидно, что в общем случае информационный массив может занимать несколько ячеек). При размещении информации в стековой памяти возможен доступ только к ее верхушке, хотя на практике это требование может быть смягчено. Поиск информации в ассоциативной памяти производится по содержимому ее ячеек. Возможность изменения информации. Существуют элементы памяти с легко изменяемыми состояниями, способные работать как в режиме чтения, так и в режиме записи. Есть более дешевые элементы памяти, которые, единожды установленные в 0 или 1, изменить свое состояние при функционировании ЭВМ не могут. Запоминающие устройства, построенные на таких элементах, используются только в режиме чтения. Сохранение информации при отключении питания ЭВМ. В некоторых видах запоминающих устройств происходит потеря информации при отключении (и даже кратковременном прерывании) питающего напряжения. Такие запоминающие устройства называют энергозависимыми. В энергонезависимых запоминающих устройствах (например, магнитной памяти) информация сохраняется. 6.2. Классы запоминающих устройств Общая классификация. По своему функциональному назначению запоминающие устройства можно разделить на три крупных класса: • регистровые внутренние запоминающие устройства; • Кэш-память; • основная память; • внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Регистровые запоминающие устройства входят в состав центрального процессора, служат для промежуточного хранения данных, адресной и управляющей информации. Эти запоминающие устройства обладают наибольшим быстродействием и обычно невелики по объему. Совокупность РОНов, образующих локальную память процессора, предназначена для повышения быстродействия процессора, поскольку загрузка в АЛУ операндов выполняемой команды из РОНов гораздо быстрее, чем из оперативной памяти. Сверхоперативная (или КЭШ-память ) используется как буферная память, сглаживающая различие в быстродействии процессора и оперативной памяти. Запоминающие устройства, входящие в состав основной памяти,составляют важнейший модуль любой ЭВМ, в них хранятся программы и данные, обрабатываемые центральным процессором. В составе основной памяти выделим оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминаюшее устройство (ПЗУ). К классу внешних запоминающих устройств (ВЗУ) относятся энергонезависимые устройства с памятью (магнитные и оптические диски, флеш-карты, магнитные ленты). Существенно то, что прямого доступа к ним центральный процессор не имеет. Прежде чем воспользоваться информацией, хранящейся на ВЗУ, она должна быть перенесена в оперативную память. ВЗУ служат для хранения больших объемов информации, используются для создания библиотек, архивов, баз данных. Каждый вышеперечисленный класс запоминающих устройств, в свою очередь, подразделяется на несколько типов, отличающихся своим функциональным назначением. В этом пункте рассмотрим несколько типов запоминающих устройств, входящих в состав основной памяти ЭВМ. Состав основной памяти. В состав основной памяти ЭВМ входят: 36 1. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), другое название - запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ), или в английской терминологии RAM ( Random Access Memory). Оперативные запоминающие устройства всех классов ЭВМ представляют собой энергозависимые ЗУПВ. 2. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В английской терминологии такого рода память называют ROM (Read Only Memory) - память, работающая только на считывание. Информация, находящаяся в такой памяти, заранее закладывается при ее изготовлении ("зашивается") и при отключении питания не разрушается. 6.2.1. Оперативное запоминающее устройство Структура ОЗУ. Общая схема структуры и функционирования ОЗУ, изображена на рис. 18. Двоичный код адреса по шине адреса поступает на дешифратор адреса и возбуждает линию, идущую к выбранной ячейке памяти. При операции чтения эта линия открывает вентили, обеспечивающие передачу значения, хранящегося в каждом разряде выбранной ячейки, в соответствующий разряд буферного регистра считывания. При записи в ячейку памяти направление потока разрядной информации меняется на противоположное. Режим считывания или записи задается управляющими сигналами, причем выполнение операций производится в соответствии с определенной последовательностью тактов. Например, для записи в ячейку с адресом А необходимо, чтобы: • соответствующее данное было передано по шине записи в буферный регистр записи, • адрес А поступил на дешифратор, • сигнал управления записью был передан в ЗУ. Очевидно, что для выполнения операции чтения первый этап опускается, так что в общем случае цикл чтения короче, чем цикл записи. ОП – оперативная память. … шина записи … … буферный регистр записи ОП … ячейка памяти разряд ячейки сигнал чтения сигнал записи … буферный регистр считывания шина чтения … дешифратор адреса регистр адреса адрес адресная шина 37 Рис. 18. Упрощенная схема ОЗУ Логическая структура оперативной памяти. Для пользователей (программистов) современная оперативная память ЭВМ представляет байтовую организацию, то есть адрес памяти является адресом (номером) ее соответствующего байта Рис. 19. Память из 8-ми разрядных ячеек (слов) Очевидно, что размер байта, удобный для обработки символьной информации, крайне неэффективен при выполнении, например, арифметических операций. Поэтому в ОП можно логически выделить и более крупные хранилища (полуслово, слово, двойное слово), содержимое которых обрабатывают соответствующие машинные команды. Адресами полуслов, слов, и двойных слов является адрес левого байта, начиная с которого соответствующее хранилище располагается в памяти. Очевидно, что размер слова ОП равен размеру машинного слова. На рис. 20. определяется структура ОП с 32-х разрядным словом. Рис.20. Логические хранилища информации в ОП В дальнейшем условимся любое хранилище информации в общем случае называть ячейкой памяти, если не требуется специального уточнения ее размера. 6.2.2. Постоянное запоминающее устройство Упрощенно можно считать, что общая структура ПЗУ отличается от структуры ОЗУ отсутствием регистра записи (рис. 21.). Основное назначение ПЗУ - хранение системных констант и микропрограмм. Классификация по методам доступа. Ранее отмечалось, чтоодной из характеристик памяти является способ размещения и поиска информации. Очевидно, что оперативная и постоянная памяти являются адресными, то есть доступ к ячейке памяти осуществляется по ее адресу. Рассмотрим запоминающие устройства, использующие методы доступа к памяти, основанные на других подходах. 6.2.3. Стековая память Структура стековой памяти (стека) и логика управления ею представлены на рис. 22. Стековая память состоит из ячеек, причем обмен информацией между остальными устройствами ЭВМ и стеком всегда выполняется только через верхнюю ячейку – вершину стека. При записи нового слова (команды, числа, символа и т.п.) все ранее записанные слова сдвигаются на одну ячейку вниз, а новое слово помещается в вершину стека. Считывание возможно только с вершины стека и производится с удалением или без Адрес байта памяти 0000 0001 0002 … Байты памяти 10011101 01110010 10101011 … Байты 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Полуслова Слова Двойные слова 38 удаления считываемого слова. Такую память часто называют памятью типа LIFO (Last – In First – Out –последним вошел, первым вышел). ПП – постоянная память, представляющая собой совокупность адресуемых ячеек. Рис.21. Упрощенная структура ПЗУ Указатель стека - регистр для указания адреса вершины стека. Рис.22. Структура стека Принципы функционирования стека проиллюстрированы на рис. 23. Указатель стека Стек … Ячейки стековой памяти Вершина стека Дно стека … дешифратор адреса Адрес от процессора адрес адресная шина … … буферный регистр считывания шина чтения ячейка памяти Разряд ячейки сигнал чтения сигнал записи ПП … 39 Рис.23. Пример работы со стеком Очевидно, что аппаратная реализация стека, как правило, не целесообразна, поскольку при выполнении каждой операции содержимое стека перемещается целиком, поэтому в ЭВМ стек моделируется, и в качестве стековой памяти используется просто часть адресной памяти, что позволяет легко менять содержимое стека (рис. 24.). Несмотря на то, что внешне модель стека отличается от аппаратного стека, она функционирует по тому же алгоритму: последним вошел - первым вышел. Это обеспечивается с помощью указателя стека, который содержит адрес плавающей вершины стека. Заметим, что моделируемый стек растет не сверху вниз (ко дну стека), а снизу вверх (от дна стека). Однако это не нарушает алгоритма функционирования такой памяти. На рис. 24. показан стек, организованный в памяти с 32-разрядными словами. Предполагается, что дно стека располагается в ячейке с 8-ричным адресом 1000. При работе со стеком, представленным на рис. 24., следует учесть, что при занесении данного в стек сначала уменьшается значение указателя стека, то есть происходит его настройка на новую вершину, а затем уже производится загрузка в стек; при считывании из стека после извлечения данного из вершины указатель стека увеличивает свое значение. Именно поэтому, когда стек пуст, значение указателя устанавливается на ячейке, следующей за дном стека. Состояние стека после записи символов К, Е, и Т Т Е К вершина стека дно стека Из стека извлекаются символы С и К Е К Из стека извлекаются все символы. Стек пуст ! В стек загружается символ |