Управление внешними устройствами в среде на базе эмулятора 8086... Вводная_Лекция_АКС_1. Лекция по дисциплине акс. С точки зрения многих заслуженных педагогов
 Скачать 123.32 Kb.
|
|
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд (параллельно могут обрабатываться несколько фрагментов одной задачи). Структура такой машины имеет общую оперативную память и несколько процессоров. Такая архитектура применяется для решения задач с огромным объемом вычислений
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную) память. Отдельный компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.  Структурная организация компьютера. Неймановская архитектура Структурная классификация отражает способ построения аппаратной части вычислительных систем, т.е. состав технических средств и связи между ними (рис. 1.1 [3]).  Рис. 1.1. Классификация вычислительных систем по структуре По рассматриваемому признаку компьютерные системы делятся на два класса: сосредоточенные и распределенные. У сосредоточенных систем все устройства располагаются в одном корпусе, на одном столе или в одном помещении. Длина каналов связи между устройствами мала, а время обмена информацией гораздо меньше, чем время решения задач. Среди таких систем одномашинные – наиболее простые и в настоящее время наиболее распространенные. Другой тип сосредоточенных систем – комплексы. Они бывают двух видов: мультипроцессорные и многомашинные (описание см. выше). МПВК - мультипроцессорные вычислительные комплексы (multi-processor system, MPS), которые состоят из нескольких одинаковых процессоров и общих для всех процессоров внешних устройств, устройств ввода-вывода и памяти. ММВК – многомашинные вычислительные комплексы (Massively Parallel Processing, MPP), которые представляют собой несколько компьютеров, объединенные в единое целое. У распределенных вычислительных систем каналы, связывающие устройства, имеют большую длину (от нескольких сотен метров до десятков и тысяч километров) Время обмена по этим каналам сравнимо со временем решения задач или превышает его. ВСТД – это вычислительная система с телекоммуникационным доступом (computer system with basic telecommunication access method, BTAM). Она предназначена для обработки информации, поступающей в систему по каналам связи. Сети компьютеров, в отличие от ВСТД, представляют собой полностью распределенные системы. Основные идеи построения современных ЭВМ в 1945 г. сформулировал американский математик Дж. фон Нейман, определив их как принципы программного управления: Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами.- Команда определяет наименование операции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой. Следующая лекция по дисциплине АКС Структура неймановской вычислительной машины приведена на рис. 1.2.  Рис. 1.2. Неймановская вычислительная машина АЛУ – арифметико-логическое устройство, УУ – устройство управления Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода. Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) мп-ра (МП) предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Примерами обработки могут служить логические операции (типа логического "И", "ИЛИ", "Исключающего ИЛИ" и т.д.), а также арифметические операции (типа сложения, вычитания, умножения, деления и т.д.). Над какими кодами производится операция, куда помещается ее результат — определяется типом выполняемой командой. Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов, служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро, поэтому, в общем случае, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров. Именно разрядность регистров и АЛУ называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью. Регистр признаков (регистр состояния) также является внутренним регистром процессора. Содержащаяся в нем информация — это не данные, не адрес, а слово состояния процессора. Каждый бит этого слова (флаг) содержит информацию о результате предыдущей команды. Результаты выполненной операции из АЛУ выводятся (пересылаются ) в память ЗУ (ОЗУ) или в порты устройств вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают в виде, удобном человеку. УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Управляющее устройство содержит специальный регистр, который называется «счетчик команд» (в Мп8086 это регистр IP). После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера. В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Система команд - это набор допустимых для данного процессора управляющих кодов и способов адресации данных. Система команд жестко связана с конкретным типом процессора, поскольку определяется аппаратной структурой блока дешифрации команд, и обычно не обладает переносимостью на другие типы процессоров (хотя может иметь место совместимость “снизу-вверх” в рамках серии процессоров, как, например, в серии i80x86). В литературе часто можно встретить термин «инструкция», эквивалентный термину «команда». Командой называется элементарное действие, которое может выполнить процессор без дальнейшей детализации. Последовательность команд, выполнение которых приводит к достижению определенной цели, называется программой. Команды программы кодируются двоичными словами и размещаются в памяти ЭВМ. Вся работа ЭВМ состоит в последовательном выполнении команд программы. Действия по выбору из памяти и выполнению одной команды называются командным циклом (измеряется числом тактов ГТИ). В составе любого процессора имеется специальная ячейка (регистр), которая хранит адрес выполняемой команды — счетчик команд или программный счетчик (в 8086 регистр IP). После выполнения очередной команды его значение увеличивается на единицу (если код одной команды занимает несколько байт, то содержимое счетчика команд увеличивается на длину команды). Таким образом, осуществляется выполнение последовательности команд. Существуют специальные команды (передачи управления), которые в процессе своего выполнения модифицируют содержимое программного счетчика, обеспечивая переходы по программе. Сама выполняемая команда - машинный код операции (КОП) помещается в специальный регистр - регистр команд (программисту - недоступен). Во время выполнения командного цикла процессор реализует следующую последовательность действий: 1. Извлечение из памяти содержимого ячейки, адрес которой хранится в программном счетчике, и размещение этого кода в регистре команд МП-ра (фаза чтения команды). 2. Увеличение содержимого программного счетчика на единицу. 3. Формирование адреса операндов. 4. Извлечение операндов из памяти. 5. Выполнение заданной в команде операции. 6. Размещение результата операции в памяти (или во внутреннем регистре). 7. Переход к п. 1. Пункты 1, 2 и 7 обязательно выполняются в каждом командном цикле, остальные могут не выполняться в некоторых командах. Если длина кода команды составляет несколько машинных слов, то пп. 1 и 2 повторяются. Фактически вся работа процессора заключается в циклическом выполнении пунктов 1—7 командного цикла. При запуске программы на выполнение в счетчик команд аппаратно помещается фиксированное значение — начальный адрес программы (часто 0 или последний адрес памяти). В дальнейшем содержимое программного счетчика модифицируется в командном цикле. Прекращение выполнения командных циклов может произойти только при выполнении специальной команды "СТОП". Система команд процессора характеризуется тремя аспектами: форматами, способами адресации и системой операций. Каждая команда должна содержать сведения, необходимые для ее выполнения. Сведения кодируются. Для кодировки каждой группы сведений выделяется свое поле. Совокупность полей, содержащих необходимые сведения для выполнения требуемой операции, называют форматом команды (подробнее см. ниже). В формате команды должны быть определены: ● функциональное назначение операции в виде кода операции; ● адреса источников данных. В общем случае должны быть указаны адреса двух операндов; ● адрес места расположения результата; - адрес следующей команды. Под форматом команды следует понимать длину команды, количество, размер, положение, назначение и способ кодировки ее полей. Команды, как и любая информация в ЭВМ, кодируются двоичными словами, которые должны содержать в себе следующие виды информации: □ тип операции, которую следует реализовать в данной команде (КОП); □ место в памяти, откуда следует взять первый операнд (А1); □ место в памяти, откуда следует взять второй операнд (А2); □ место в памяти, куда следует поместить результат (A3). Каждому из этих видов информации соответствует своя часть двоичного слова — поле, а совокупность полей (их длины, расположение в командном слове, способ кодирования информации) называется форматом команды. Система команд и адресация данных. Основная функция любого процессора, ради которой он и создается, - это выполнение команд. Система команд, выполняемых процессором, представляет собой нечто подобное таблице истинности логических элементов или таблице режимов работы более сложных логических микросхем. То есть она определяет логику работу процессора и его реакцию на те или иные комбинации внешних событий. Система команд микропроцессора - это полный перечень элементарных действий, которые он может выполнить. Управляемый командами микропроцессор выполняет простые действия (+,-,*,/,<,>,=, логические операции и т.д.). Однако, с помощью этих действий (команд) можно запрограммировать любую сложную операцию. Микропроцессор распознает и обрабатывает информацию только в двоичных кодах. Среди совокупности этих кодов есть определенная группа кодов, каждая из которых может заставить микропроцессор выполнить определенное действие (операцию). Такой код называется кодом операции (КОП) команды и определяет одну команду из системы команд микропроцессора. Написание программ для микропроцессорной системы - важнейший и часто наиболее трудоемкий этап разработки такой системы. А для создания эффективных программ необходимо иметь хотя бы самое общее представление о системе команд используемого процессора. Самые компактные и быстрые программы и подпрограммы создаются на языке Ассемблер, использование которого без знания системы команд абсолютно невозможно, ведь язык Ассемблер представляет собой символьную запись цифровых кодов машинного языка, кодов команд процессора. Конечно, для разработки программного обеспечения существуют всевозможные программные средства. Пользоваться ими обычно можно и без знания системы команд процессора. Чаще всего применяются языки программирования высокого уровня, такие как Паскаль и Си. Однако знание системы команд и языка Ассемблер позволяет в несколько раз повысить эффективность некоторых наиболее важных частей программного обеспечения любой микропроцессорной системы - от микроконтроллера до персонального компьютера. Именно поэтому далее рассмотрим основные типы команд, имеющиеся у большинства процессоров, и особенности их применения. Но вначале рассмотрим, что такое «формат команды». Формат команды. Для того чтобы микропроцессор мог выполнить команду ему необходимо сообщить: что сделать, то есть, какую операцию выполнить? где взять исходные данные для выполнения этой операции? и куда поместить результат этой операции? Поэтому машинный код команды состоят из двух частей (полей): кода операции (КОП) и адресной части. КОП сообщает микропроцессору, что делать, адрес указывает местоположение данных, участвовавших в операции. Длина команды зависит от длины использованного в ней адреса (самая короткая - это команда без адресной части, например, NOP,STOP). Операнд - это количественная величина, над которой производится математическая или логическая операция. Чем длиннее команда, тем больше времени требуется микропроцессору для ее выполнения, тем больше места она занимает в памяти. Сократить формат команды можно, используя различные способы адресации. Тип обращения (адресация) к данным принято называть способом адресации. Каждая команда, выбираемая (читаемая) из памяти процессором, определяет алгоритм поведения процессора на ближайшие несколько тактов. КОП команды говорит о том, какую операцию предстоит выполнить процессору и с какими операндами, где взять исходную информацию для выполнения команды и куда поместить результат (если необходимо). КОП команды может занимать от одного до нескольких байт, причем процессор узнает о том, сколько байт команды ему надо читать, из первого прочитанного им байта или слова. В процессоре КОП команды расшифровывается и преобразуется в набор микроопераций, выполняемых отдельными узлами процессора. Но разработчику микропроцессорных систем это знание не слишком важно, ему важен только результат выполнения той или иной команды. Следующая лекция по дисциплине АКС Элементная база ЭВМ В ЭВМ непосредственную обработку информации, представляемой в виде двоичных электрических сигналов, осуществляют электронные элементы и узлы. Число разновидностей электронных элементов ЭВМ относительно невелико, несмотря на их большое количество в машине. По своему назначению они могут быть классифицированы на: логические, запоминающие и вспомогательные. Логические элементы предназначены для реализации основных логических функций И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ и их сочетаний, например, И - НЕ, ИЛИ - НЕ и др. Запоминающие элементы выполняют функцию памяти. В них под действием входных сигналов устанавливается соответствующее состояние 0 или 1, которое сохраняется неизменным до прихода последующего управляющего сигнала. Вспомогательные элементы служат для формирования и генерирования сигналов, их усиления и преобразования по амплитуде, мощности и длительности. В свою очередь элементы ЭВМ являются основой для построения типовых узлов, с помощью которых и реализуются необходимые операции над кодами. К числу типовых узлов ЭВМ относятся регистры, дешифраторы, счетчики и сумматоры. Регистры предназначены для временного хранения и преобразования двоичной информации (например, для сдвига числа при выполнении операции умножения и деления). |
