Методические указания для практических занятий по дисциплине мдк. 02. 01
 Скачать 7.37 Mb.
|
|
одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре) 23 a dd x двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y) a dd x y трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z) a dd x y z Выполнение команды можно проследить по схеме: Общая схема компьютера Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы: из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды; выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд; устройство управления расшифровывает адресное поле команды; по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов; УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными; результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата; все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”. При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространены следующие архитектурные решения. 24 Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 1). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с . Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами. Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. · Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 2.3. Рис..3. Архитектура многопроцессорного компьютера Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый 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 очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно. Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 2.4. Рис. 2.4. Архитектура с параллельным процессором 25 В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше. Контрольные вопросы 1. Какова роль аппаратуры (HardWare) и программного обеспечения (SoftWare) компьютера? 2. Какие основные классы компьютеров Вам известны? 3. В чём состоит принцип действия компьютеров? 4. Из каких простейших элементов состоит программа? 5. Что такое система команд компьютера? 6. Перечислите главные устройства компьютера. 7. Опишите функции памяти и функции процессора. 8. Назовите две основные части процессора. Каково их назначение? 9. Что такое регистры? Назовите некоторые важные регистры и опишите их функции. 10. Сформулируйте общие принципы построения компьютеров. 11. В чём заключается принцип программного управления? Как выполняются команды условных и безусловных переходов? 12. В чём суть принципа однородности памяти? Какие возможности он открывает? 13. В чём заключается принцип адресности? 14. Какие архитектуры называются "фон-неймановскими"? 15. Что такое команда? Что описывает команда? 16. Какого рода информацию может содержать адресная часть команды? 17. Приведите примеры команд одноадресных, двухадресных, трёхадресных. 18. Каким образом процессор при выполнении программы осуществляет выбор очередной команды? 19. Опишите основной цикл процесса обработки команд. 20. Что понимается под архитектурой компьютера? 21. Что понимается под структурой компьютера? Какой уровень детализации описания компьютера может она обеспечить? 22. Перечислите распространённые компьютерные архитектуры. 23. Каковы отличительные особенности классической архитектуры? 24. Что собой представляет шина компьютера? Каковы функции общей шины (магистрали)? 25. Какую функцию выполняют контроллеры? 26. Как характер решаемых задач связан с архитектурой компьютера? 27. Какие отличительные особенности присущи многопроцессорной архитектуре? Многомашинной архитектуре? Архитектуре с параллельным процессором? 28. Что такое центральный процессор? 29. Какие основные компоненты содержат в себе современные микропроцессоры? Практическая работа №4. Изучение принципов работы микропроцессорных систем. Цель работы: изучить структуру МПС и принцип ее работы. Теоретическая часть. Структура любой микропроцессорной системы является магистрально-модульной. Это означает, что в ней можно выделить набор модулей – устройств, подключенных к общим магистралям, называемых шинами. Подшиной понимают набор линий связи, по которым передается информация определенного типа, осуществляется обмен информацией между различными модулями системы. Обобщенная структура микропроцессорной системы представлена на рис. 1. 26 Любую микропроцессорную систему можно представить как микроЭВМ и набор ВУ. Под ВУ понимают устройства двух типов: • устройства ввода/вывода информации, обеспечивающие вычислительный процесс и связь с оператором (монитор, клавиатура, внешние запоминающие устройства и т.д.); • устройства, обеспечивающие управление техническими средствами технологического оборудования, станками и т.п. Рис. 1. Структура микропроцессорной системы Кроме МП, который также называют центральным процессорным элементом, в состав микроЭВМ входят ПЗУ, ОЗУ и блок интерфейса. ПЗУ обеспечивает хранение неизменяемых программ работы системы. Если это универсальная система типа персонального компьютера, то в ПЗУ хранится программа базовой системы ввода/вывода, обеспечивающая функционирование и начальную загрузку системы – инициализацию. Если это специализированная система, типа устройства числового программного управления, то в ПЗУ заносится все программное обеспечение системы. ОЗУ предназначено для хранения информации, которая может изменяться в процессе работы системы. Это могут быть данные, промежуточные результаты вычислений и программы, исполняемые в текущий момент времени. В простых системах это только входная информация и промежуточные результаты. Весь обмен информацией МП с ВУ осуществляется через блок интерфейса. ВУ передают данные из внешней среды в МП или ОЗУ или получают их из микроЭВМ. Для подключения ВУ к микропроцессорной системе его сигналы, скорость передачи информации, формат слов необходимо привести к стандартному виду, с которым работает МП. Все эти преобразования данных выполняются в интерфейсном блоке. Фактически блок интерфейса это набор различных узлов – адаптеров и контроллеров. Сложные ВУ, типа монитора или накопителей на магнитных дисках подключаются через контроллеры ВУ, которые обеспечивают не только преобразование данных, но и управление самими ВУ. Они на структурной схеме не показаны. Взаимодействие узлов микроЭВМ между собой осуществляется с помощью трех шин: шины адреса (III А),шины данных (ШД) и шины управления (ШУ). Чтобы МП мог однозначно выбрать нужную ячейку памяти или регистр ВУ, они имеют адреса. Адрес ячейки (регистра) передается от МП в память или интерфейсный блок по ША. ША однонаправленная, так как направление передачи информации по ней только одно – из МП. В отличие от нее ШД является двунаправленной, так как передача данных по ней осуществляется как из МП в память и интерфейс, так и наоборот. ША и ШД состоят из параллельных линий, передача информации по которым осуществляется одновременно для всех линий (поэтому на рисунке эти шины обозначены широкими стрелками). Число линий ШД определяется разрядностью МП, а ША – объемом памяти, т.е. разрядностью двоичного кода, необходимого для адресации всех ячеек. ШУ состоит из отдельных линий, по которым передаются те или иные управляющие сигналы. Естественно, что они передаются не одновременно, поэтому на рис. 4.9 ШУ обозначена узкими стрелками. В основном это сигналы, передаваемые из МП в остальные узлы, но некоторые имеют обратную направленность – в МП. Примером первых могут служить сигналы чтения и записи, указывающие, какую именно следует выполнять операцию с ячейкой, адрес которой выставлен на ША. Ко вторым относят осведомительные сигналы запроса обслуживания, поступающие от ВУ, а 27 также сигнал сброса МП в начальное (нулевое) состояние. Внешние устройства в зависимости от способа передачи информации разделяются на две большие группы: устройства, обменивающиеся параллельными словами данных (на рис. 1 они подключены к параллельной шине), и устройства, обменивающиеся информацией в последовательном коде, т.е. последовательно, бит за битом (подключены к однопроводной шине, обозначенной узкой стрелкой). Основными узлами МП являются устройство управления (УУ), регистр команд (РК), дешифратор команд (ДШК), арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистр флажков (РФ), набор внутренних регистров, разделяемых на адресные регистры (РА) и регистры данных (РД), программный счетчик (ПС), устройство управления шинами (УУШ). Координация работы всех узлов в соответствии с выполняемой командой осуществляется тремя узлами: УУ, РК и ДШК. РК обеспечивает хранение команды в течение всего цикла ее исполнения, а ДШК выполняет расшифровку кода этой команды. УУ вырабатывает серию импульсов, обеспечивающих последовательное и слаженное срабатывание узлов МП в соответствии с выполняемой командой. Для выработки управляющих импульсов на вход УУ поступают импульсы синхронизации от внешнего генератора. Такой генератор может быть также встроен в УУ. Кроме управления внутренними узлами, УУ обеспечивает прием и выдачу внешних управляющих сигналов. АЛУ обеспечивает выполнение всех операций, с помощью которых осуществляется переработка данных в МП. Оно может выполнять несложные арифметические, логические и сдвиговые операции. Количество операндов, т.е. двоичных чисел, над которыми выполняются действия в АЛУ, может колебаться от одного до двух. Например, при инвертировании (логическое НЕ) АЛУ достаточно одного операнда, а для операции сложения двух чисел необходимо два операнда. Перечень операций, выполняемых АЛУ, зависит от типа МП. Для большинства МП в АЛУ выполняются следующие операции: сложение, вычитание, логические И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ (сумма по модулю 2), сдвиг вправо, сдвиг влево, сложение с единицей (инкремент), вычитание единицы (декремент). Сложные арифметические операции, такие как умножение и деление, АЛУ не выполняет. В зависимости от результата операции АЛУ формирует признаки результата, называемые флажками. Эти признаки используются не в текущей, а в последующих командах, поэтому для их хранения в МП используется РФ. Регистры – составная и очень важная часть МП. Каждый регистр МП можно использовать для временного хранения одного слова данных. Некоторые регистры имеют специальное назначение, другие – многоцелевое. Внутренние РА и РД являются внутренней памятью МП. РА используются для временного хранения двоичных чисел, с помощью которых МП вычисляет адреса ячеек памяти, к которым он обращается в процессе работы. РД используются как для непосредственного хранения операндов, так и для вычисления адресов ячеек ОЗУ, хранящих операнды. Через РД также осуществляется обмен информацией между МП и ВУ. Программный счетчик служит для хранения адреса ячейки памяти, в которой хранится очередная исполняемая команда программы. Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой, которые обычно располагаются в ячейках памяти последовательно одна за другой. Команда задает выполняемую операцию и содержит сведения, где находятся операнды. Выполнение команды можно разбить на две фазы: фазу выборки команды и фазу ее исполнения. Первая фаза начинается с того, что МП выставляет на ША содержимое ПС, хранящего адрес ячейки памяти с очередной командой. Содержимое ячейки выставляется на ШД, МП считывает информацию с ШД и помещает команду в РК. Вторая фаза заключается в собственно выполнении команды. При этом сначала МП должен подготовить операнды. Операнды могут храниться как в самом МП, так и в ОЗУ. В первом случае они хранятся в регистрах данных, и МП может переходить к непосредственному исполнению математической или логической операции в соответствии с кодом команды. Во втором случае МП должен сначала вычислить адрес ячейки ОЗУ, хранящей операнд, потом выставить этот адрес на ША и считать содержимое указанной ячейки ОЗУ, и только затем выполнить операцию. Выполнение операции осуществляется в АЛУ, после чего результат должен 28 быть помещен на место первого операнда. Если это один из внутренних регистров МП, результат сразу же переписывается в этот регистр, если это ячейка ОЗУ, требуется еще один цикл обращения к памяти. Таким образом время исполнения команды зависит от количества циклов обращения к памяти, и самыми короткими являются те команды, в которых операнды хранятся непосредственно в МП. Во время выполнения команды при каждом обращении МП к памяти программ содержимое ПС автоматически увеличивается на единицу. Команды могут занимать не только одну ячейку памяти, а две и даже три, при этом, чтобы считать всю команду, МП должен несколько раз обратиться к памяти программ. В результате в конце выполнения команды в ПС уже хранится адрес следующей, и МП готов к выполнению очередной команды. Отсюда и название этого регистра – "программный счетчик". Регистр ПС хранит адрес следующей выполняемой команды только в случае естественного порядка следования команд программы – команда за командой. В случае разветвления алгоритма в зависимости от выполнения или невыполнения заданного условия необходимо идти но одной из двух ветвей программы. Такие разветвления выполняются с помощью команд условного перехода. Для этого в команде условного перехода задается проверяемое условие и указывается адрес команды, подлежащей исполнению в случае выполнения условия. При невыполнении условия сохраняется естественный порядок следования команд, т.е. выполняется следующая по порядку команда. Так как адресация осуществляется через программный счетчик, то при выполнении заданного условия в ПС загружается адрес, указанный в команде, если же условие не выполняется, то адрес следующей команды оказывается уже сформированным в ПС. Проверка тех или иных условий в МП обычно заключается в анализе признаков результата, которые были сформированы при исполнении предыдущей команды и сохранены в регистре флажков. В процессе работы МП постоянно обращается к ША и ШД. Передача информации внутри МП осуществляется по внутренним шинам, которые непосредственно не связаны с внешними шинами. Для передачи адресов и данных из МП во внешние шины и приема данных с ШД в МП необходимо буферное устройство, которым служит УУШ. В простейшем случае – это набор буферных регистров, управляемых УУ. Буферный регистр адреса принимает данные с внутренней шины и хранит его в течение цикла обращения к памяти или ВУ, при этом адрес через выходные каскады регистра выставляется на ША. Буферный регистр данных – двунаправленный и может как передавать данные с внутренней шины во внешнюю, так и принимать их с внешней ШД и передавать во внутреннюю. Эти регистры имеют третье состояние и переводятся в него, когда МП с ША и ШД не работает. В более сложных МП в состав УУШ, помимо буферных, входит набор внутренних регистров, некоторые адресные регистры и комбинационные схемы. Такое УУШ работает самостоятельно, обеспечивая взаимодействие МП с внешними шинами. |