архитекура. Архитектура ВМиС. Самостоятельная работа по дисциплине Архитектура вмиС
 Скачать 167.35 Kb.
|
Москва 2020 27 вариант Концепция ВМ с хранимой в памяти программой Контрольные вопросы: 1. В чем заключается принцип двоичного кодирования? 2. В чем заключается принцип программного управления? 3. В чем заключается принцип однородности памяти? 4. В чем заключается принцип адресуемой памяти? 5. В чем заключается фон-неймановская архитектура? 6. Что такое КЭШ-память? 7. Что такое УУ? Каково предназначение УУ? 8. Что такое АЛУ? Каковы функции АЛУ? 9. Что такое ЦП? Что в него входит? 10. Что такое РОН? Содержание Принцип двоичного кодирования……………………………………………….…4 Принцип программного управления……………………………………………….4 Принцип однородности памяти…………………………………………………….5 Принцип адресуемости памяти…………………………….……………………….5 Фон-неймановская архитектура...………………………….……………………….6 Кэш-память...………………………….……………………………………..………8 Устройство управления……………….…………………...………………..………8 Арифметико-логическое устройство……………….……….……………..………9 Центральный процессор (ЦП) и регистры общего назначения (РОН)…………..9 Выводы……………………………………………………………………………….9 Список литературы………………………………………………………………….9 Принцип двоичного кодирования Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется в двоичном виде и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В формате числа обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля (рис. 1): поле кода операции (КОП) и поле адресов (адресную часть — АЧ).  Рисунок 1 – Структура команды. Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть выполнена, и задается с помощью r-разрядной двоичной комбинации. Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды: в командах преобразования данных АЧ содержит адреса объектов обработки (операндов) и результата; в командах изменения порядка вычислений — адрес следующей команды программы; в командах ввода/вывода — номер устройства ввода/вывода. Адресная часть также представляется двоичным кодом, длину которого обозначим через p. Таким образом, команда в вычислительной машине имеет вид (r + p)-разрядной двоичной комбинации. Принцип программного управления Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательности смежных ячеек памяти вычислительной машины и выполняются в естественном порядке, то есть в порядке их расположения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, естественный порядок выполнения может быть изменен. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно. Принцип однородности памяти Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательности смежных элементов массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на машинный язык конкретной ВМ. Концепция вычислительной машины, изложенная в статье фон Неймана, предполагает единую память для хранения команд и данных. Такой подход был принят в вычислительных машинах, создававшихся в Принстонском университете, из-за чего и получил название принстонской архитектуры. Практически одновременно в Гарвардском университете предложили иную модель, в которой ВМ имела отдельную память команд и отдельную память данных. Этот вид архитектуры называют гарвардской архитектурой. Долгие годы преобладающей была и остается принстонская архитектура, хотя она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор-память». В последнее время, в связи с широким использованием кэш-памяти, разработчики ВМ все чаще обращаются к гарвардской архитектуре. Принцип адресуемости памяти Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса. Фон-неймановская архитектура В статье фон Неймана определены основные устройства ВМ, с помощью которых должны быть реализованы вышеперечисленные принципы. Большинство современных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-неймановская ВМ (рис. 2) содержит: память, устройство управления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода. В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к ВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Термином порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством ввода/вывода (УВВ) или модулем ввода/вывода вычислительной машины (МВВ). Память компьютера имеет сложную многоуровневую структуру, реализованную в виде взаимодействующих запоминающих устройств (ЗУ), которые могут использовать различные физические принципы для хранения данных. Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память, для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам основной памяти может производиться в произвольном порядке. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость — хранимая информация теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы часть основной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться.  Рисунок 2 - Структура фон-неймановской вычислительной машины Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным разрядам — байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в последовательности ячеек со смежными адресами. В этом случае за адрес числа часто принимается адрес его младшего байта. Так, при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200, 201, 202 и 203 адресом числа будет 200. Такой прием называют адресацией по младшему байту или методом «остроконечников» (little endian addressing). Возможен и противоположный подход — по меньшему из адресов располагается старший байт. Этот способ известен как адресация. Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным разрядам — байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в последовательности ячеек со смежными адресами. В этом случае за адрес числа часто принимается адрес его младшего байта. Так, при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200, 201, 202 и 203 адресом числа будет 200. Такой прием называют адресацией по младшему байту или методом «остроконечников» (little endian addressing). Возможен и противоположный подход — по меньшему из адресов располагается старший байт. Этот способ известен как адресация Кэш-память Неотъемлемой частью современных ВМ стала кэш-память — память небольшой емкости, но высокого быстродействия. В нее из основной памяти копируются наиболее часто используемые команды и данные. При обращении со стороны процессора информация берется не из основной памяти, а из соответствующей копии, находящейся в более быстродействующей кэш-памяти. Устройство управления Устройство управления (УУ) — важнейшая часть вычислительной машины, организующая автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивающая функционирование ВМ как единой системы. Для пояснения функций УУ вычислительную машину следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может подвергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любыми элементами ВМ инициируется своим сигналом управления (СУ), то есть управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной временной последовательности. Цепи СУ показаны на рис. 2 пунктирными линиями. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ. АЛУ Еще одной неотъемлемой частью ВМ является арифметико-логическое устройство(АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных (операндов), в итоге которой формируется выходная переменная (результат). Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции, АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в ходе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшем порядке следования команд программы. Центральный процессор (ЦП) и регистры общего назначения (РОН) УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое устройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки. В ГОСТ 15971-90 назначение процессора определено как «интерпретация программ». Выводы В данной самостоятельной работе я ознакомился с концепцией ВМ с хранимой в памяти программой. В частности, были рассмотрены такие темы как принцип двоичного кодирования, принцип программного управления, принцип однородности памяти, принцип адресуемой памяти, фон-неймановская архитектура, КЭШ-память, УУ, АЛУ, ЦП, РОН. Инфо источники. Список литературы Литература: С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер «Организация ЭВМ и систем». 2-е издание. Изд-во Питер, 2015 г. (учебник для ВУЗов). стр. 36 – 42. | |||||||||||||||||||||||||||
