Компьютерные системы и сети Часть 1 (Архитектура ВС) Мельникова ЕВ, БГУИР 2009 (Мет пособие). Компьютерные системы и сети Часть 1 (Архитектура ВС) Мельникова. Учебнометодический комплекс по дисциплине компьютерные системы и сети для студентов специальности Т. 10 02 00 Программное обеспечение информационных технологий
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
1.7.Система команд Проектирование системы команд оказывает влияние на структуру ЭВМ. Оптимальную систему команд иногда определяют как совокупность команд, которая удовлетворяет требованиям проблемно-ориентированных применений таким образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных средств на реализацию редко используемых команд оказывается минимальной. В различных программах ЭВМ частота появления команд различна; например, по данным фирмы DEC в программах для ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто встречается команда передачи MOV(B), на ее долю приходится приблизительно 32% всех команд в типичных программах. Систему команд следует выбирать таким образом, чтобы затраты на редко используемые команды были минимальными. При наличии статистических данных можно разработать (выбрать) ЭВМ с эффективной системой команд. Одним из подходов к достижению данной цели является разработка команд длиной в одно слово и кодирование их таким образом, чтобы разряды таких коротких команд использовать оптимально, что позволит сократить время реализации программы и ее длину. Другим подходом к оптимизации системы команд является использование микроинструкций. В этом случае отдельные биты или группы бит команды используются для кодирования нескольких элементарных операций, которые выполняются в одном командном цикле. Эти элементарные операции не требуют обращения к памяти, а последовательность их реализации определяется аппаратной логикой. Сокращение времени выполнения программ и емкости памяти достигается за счет увеличения сложности логики управления. Важной характеристикой команды является ее формат, определяющий структурные элементы команды, каждый из которых интерпретируется определенные образом при ее выполнении. Среди таких элементов (полей) команды выделяют следующие: код операции, определяющий выполняемое действие; адрес ячейки памяти, регистра процессора, внешнего устройства; режим адресации; операнд при использовании непосредственной адресации; код анализируемых признаков для команд условного перехода. Классификация команд по основным признакам представлена на рис. 1.7.1.Важнейшим структурным элементом формата любой команды является код операции (КОП), определяющей действие, которое должно быть выполнено. Большое число КОП в процессоре очень важно, так как аппаратная реализация команд экономит память и время. Но при выборе ЭВМ необходимо концентрировать внимание на полноте операций с конкретными типами данных, а не только на числе команд, на доступных режимах адресации. Число 23 бит, отводимое под КОП, является функцией полного набора реализуемых команд. Рис. 1.7.1.Классификация команд. При использовании фиксированного числа бит под КОП для кодирования всех m команд необходимо в поле КОП выделить двоичных разрядов. Однако, учитывая ограниченную длину слова мини- и микроЭВМ, различное функциональное назначение команд, источники и приемники результатов операций, а также то, что не все команды содержат адресную часть для обращения к памяти и периферийным устройствам, в малых ЭВМ для кодирования команд широко используется принцип кодирования с переменным числом бит под поле КОП для различных групп команд. В некоторых командах необходим только один операнд и они называются однооперандными (или одноадресными) командами в отличие от двухоперандных (или двухадресных), в которых требуются два операнда. При наличии двух операндов командой обычно изменяется только один из них. Так как информация берется только из одной ячейки, эту ячейку называются источником; ячейка, содержимое которой изменяется, называется приемником. Ниже приведен формат двухадресной (двухоперандной) команды процессоров СМ. a 15 11 10 6 5 0 б 15 11 10 0 КОП Источник Приемник КОП Приемник Формат команд процессоров СМ: а) двухадресная команда; б) одноадресная команда. 24 Примеры кодирования двухадресных команд в процессорах СМ КОП Мнемоника команды Комментарий 0001 0010 0110 1110 MOV CMP ADD SUB Передача данных Сравнение Сложение Вычитание 0000 1000 - - Кодирование группы одноадресных команд Четырехбитный КОП (биты 15-12) кодирует ряд двухоперандных операций, приведенных в таблице 1. Биты (11-6) и (5-0) для команд данного типа определяют адреса источника и приемника данных. Как видно из таблицы, комбинации 0000 и 1000 поля КОП определяют группы одноадресных команд (рис 1,б). КОП 1 (биты 15-12), соответствующий кодам 0000 и 1000, определяет группу одноадресных команд, а КОП 2 (биты 11-6) кодирует конкретную операцию команд данной группы. Таким образом, команды, использующие один операнд, кодируются 10-битным КОП (биты 15-6). Наиболее гибкая команда требует до четырех операндов. Например, команда сложения может указывать адреса слагаемых, адрес результата и адрес следующей команды. Если для задания адреса требуется 16 бит, то четырехоперандная команда займет 8 байт памяти, не учитывая код операции. Следовательно, получится медленнодействующая ЭВМ с огромной памятью. Поэтому в большинстве микроЭВМ любой команде требуется не более двух операндов. Это достигается следующими приемами: 1. Адрес следующей команды указывается только в командах переходов; в остальных случаях очередная команда выбирается из ячеек памяти, следующих за выполненной командой. 2. Использование ячейки, в которой находится один из операндов, для запоминания результата (например, сумма запоминается в ячейки первого операнда). Локализацию и обращение к операндам обеспечивают режимы адресации. При введении нескольких режимов адресации необходимо отвести в команде биты, указывающие режимы адресации для каждого операнда. Если предусмотрено восемь режимов адресации, то для задания каждого из них нужно три бита. Почти во всех форматах команд первые биты отводятся для кода операции, но далее форматы команд разных ЭВМ сильно отличаются друг от друга. Остальные биты должны определять операнды или их адреса, и поэтому они используются для комбинации режимов, адресов регистров, адресов памяти, относительных адресов и непосредственных операндов. Обычно длина команды варьируется от 1 до 3 и даже 6 байт. По форматам команд можно судить о возможностях ЭВМ. 25 1.8.Режимы адресации Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации. Режим адресации памяти - это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес. Все способы адресации памяти можно разделить на: 1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.); 2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация). В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП. 1.9.Типы архитектур Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, и RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт МП. Определяя в качестве основной характеристики МП разрядность, выделяют следующие типы МП архитектуры: -с фиксированной разрядностью и списком команд (однокристальные); -с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением. Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти) и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним). 26 Мы рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя связь со способами адресации памяти. 1. Регистровая архитектура определяется наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и совпадает с размером слова, физически реализованного в оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно, поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов - регистрового файла. Типичным является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а второй в оперативной памяти). Предельный вариант - архитектура с адресацией посредством аккумуляторов (меньший набор команд). 2. Стековая архитектура дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации.В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному на его вершине, или к двум верхним элементам стека. 3. Архитектура МП, ориентированная на оперативную память (типа "память- память"), обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в оперативной памяти. Архитектура этого типа не предполагает явного определения аккумулятора, регистров общего назначения или стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти. С точки зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик: - разрядности адресов и данных; - состава, имен и назначения программно-доступных регистров; - форматов и системы команд; - режимов адресации памяти; - способов машинного представления данных разного типа; - структуры адресного пространства; - способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода/вывода; - классов прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний. 1.10.Организация ввода/вывода в микропроцессорной системе. Вводом/выводом (ВВ) называется передача данных между ядром ЭВМ, включающим в себя микропроцессор и основную память, и внешними устройствами (ВУ). Это единственное средство взаимодействия ЭВМ с "внешним миром", и архитектура ВВ (режимы работы, форматы команд, особенности прерываний, скорость обмена и др.) непосредственно влияет на 27 эффективность всей системы. За время эволюции ЭВМ подсистема ВВ претерпела наибольшие изменения благодаря расширению сферы применения ЭВМ и появлению новых внешних устройств. Особенно важную роль средства ВВ играют в управляющих ЭВМ. Разработка аппаратных средств и программного обеспечения ВВ является наиболее сложным этапом проектирования новых систем на базе ЭВМ, а возможности ВВ серийных машин представляют собой один из важных параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения. Программная модель внешнего устройства Подключение внешних устройств к системной шине осуществляется посредством электронных схем, называемых контроллерами ВВ (интерфейсами ВВ). Они согласуют уровни электрических сигналов, а также преобразуют машинные данные в формат, необходимый устройству, и наоборот. Обычно контроллеры ВВ конструктивно оформляются вместе с процессором в виде интерфейсных плат. В процессе ввода/вывода передается информация двух видов: управляющие данные (слова) и собственно данные, или данные-сообщения. Управляющие данные от процессора, называемые также командными словами или приказами, инициируют действия, не связанные непосредственно с передачей данных, например запуск устройства, запрещение прерываний и т.п. Управляющие данные от внешних устройств называются словами состояния; они содержат информацию об определенных признаках, например о готовности устройства к передаче данных, о наличии ошибок при обмене и т.п. Состояние обычно представляется в декодированной форме - один бит для каждого признака. Регистр, содержащий группу бит, к которой процессор обращается в операциях ВВ, образует порт ВВ. Таким образом, наиболее общая программная модель внешнего устройства, которое может выполнять ввод и вывод, содержит четыре регистра ВВ: регистр выходных данных (выходной порт), регистр входных данных (входной порт), регистр управления и регистр состояния (рис. 1.10.1). Каждый из этих регистров должен иметь однозначный адрес, который идентифицируется дешифратором адреса. В зависимости от особенностей устройства общая модель конкретизируется, например, отдельные регистры состояния и управления объединяются в один регистр, в устройстве ввода (вывода) имеется только регистр входных (выходных) данных, для ввода и вывода используется двунаправленный порт. 28 Рис. 1.10.1.Программная модель внешнего устройства Непосредственные действия, связанные с вводом/выводом, реализуются одним из двух способов, различающихся адресацией регистров ВВ. Интерфейс с изолированными шинами характеризуется раздельной адресацией памяти и внешних устройств при обмене информацией. Изолированный ВВ предполагает наличие специальных команд ввода/вывода, общий формат которых показан на рис. 1.10.2. При выполнении команды ввода IN содержимое адресуемого входного регистра PORT передается во внутренний регистр REG процессора, а при выполнении команды OUT содержимое регистра REG передается в выходной порт PORT. В процессоре могут быть и другие команды, относящиеся к ВВ и связанные с проверкой и модификацией содержимого регистра управления и состояния. КОП(IN) REG PORT КОП(OUT) REG PORT Рис. 1.10.2. Команды ввода/вывода (общий формат) Нетрудно заметить, что в этом способе адресное пространство портов ввода и вывода изолировано от адресного пространства памяти, т.е. в ЭВМ один и тот же адрес могут иметь порт ВВ и ячейка памяти. Разделение адресных пространств осуществляется с помощью управляющих сигналов, относящихся к системам ВВ и памяти (MEMRD# - считывание данных из памяти, MEMWR# - запись данных в память, IORD# - чтение порта ВВ, IOWR# - запись в порт ВВ) (# - активный низкий уровень сигналов). В ЭВМ, рассчитанной на изолированный ВВ, нетрудно перейти к ВВ, отображенному на память. Если, например, адресное пространство памяти составляет 64 Кбайт, а для программного обеспечения достаточно 32 Кбайт, то область адресов от 0 до 32 К-1 используется для памяти, от 32 К до 64 К-1 - для ввода/вывода. При этом признаком, дифференцирующим обращения к памяти и портам ВВ, может быть старший бит адреса. 29 Таким образом, интерфейс с общими шинами (ввод/вывод с отображением на память) имеет организацию, при которой часть общего адресного пространства отводится для внешних устройств, регистры которых адресуются так же, как и ячейки памяти. В этом случае для адресации портов ВВ используются полные адресные сигналы: READ - чтение, WRITE - запись. В операционных системах ЭВМ имеется набор подпрограмм (драйверов ВВ), управляющих операциями ВВ стандартных внешних устройств. Благодаря им пользователь может не знать многих особенностей ВУ и интерфейсов ВВ, а применять четкие программные протоколы. 1.11. Форматы передачи данных Рассмотрим некоторые общие вопросы, связанные с обменом данными между ВУ и микроЭВМ. Существуют два способа передачи слов информации по линиям данных: параллельный, когда одновременно пересылаются все биты слова, и последовательный, когда биты слова пересылаются поочередно, начиная, например, с его младшего разряда. Так как между отдельными проводниками шины для параллельной передачи данных существует электрическая емкость, то при изменении сигнала, передаваемого по одному из проводников, возникает помеха (короткий выброс напряжения) на других проводниках. С увеличением длины шины (увеличением емкости проводников) помехи возрастают и могут восприниматься приемником как сигналы. Поэтому рабочее расстояние для шины параллельной передачи данных ограничивается длиной 1-2 м, и только за счет существенного удорожания шины или снижения скорости передачи длину шины можно увеличить до 10-20 м. Указанное обстоятельство и желание использовать для дистанционной передачи информации телеграфные и телефонные линии обусловили широкое распространение способа последовательного обмена данными между ВУ и микроЭВМ и между несколькими микроЭВМ. Возможны два режима последовательной передачи данных: синхронный и асинхронный. При синхронной последовательной передаче каждый передаваемый бит данных сопровождается импульсом синхронизации, информирующим приемник о наличии на линии информационного бита. Следовательно, между передатчиком и приемником должны быть протянуты минимум три провода: два для передачи импульсов синхронизации и бит данных, а также общий заземленный проводник. Если же передатчик (например, микроЭВМ) и приемник (например, дисплей) разнесены на несколько метров, то каждый из сигналов (информационный и синхронизирующий) придется посылать либо по экранированному (телевизионному) кабелю, либо с помощью витой пары проводов, один из которых заземлен или передает сигнал, инверсный основному. Синхронная последовательная передача начинается с пересылки в приемник одного или двух символов синхронизации (не путать с импульсами 30 синхронизации). Получив такой символ (символы), приемник начинает прием данных и их преобразование в параллельный формат. Естественно, что при такой организации синхронной последовательной передачи она целесообразна лишь для пересылки массивов слов, а не отдельных символов. Это обстоятельство, а также необходимость использования для обмена сравнительно дорогих (четырехпроводных или кабельных) линий связи помешало широкому распространению синхронной последовательности передачи данных. Асинхронная последовательная передача данных означает, что у передатчика и приемника нет общего генератора синхроимпульсов и что синхронизирующий сигнал не посылается вместе с данными. Как же в таком случае приемник будет узнавать о моментах начала и завершения передачи бит данных. Опишем простую процедуру, которую можно использовать, если передатчик и приемник асинхронной последовательной передачи данных согласованы по формату и скорости передачи. Стандартный формат асинхронной последовательной передачи данных, используемый в ЭВМ и ВУ, содержит n пересылаемых бит информации (при пересылке символов n равно 7 или 8 битам) и 3-4 дополнительных бита: стартовый бит, бит контроля четности (или нечетности) и 1 или 2 стоповых бита (рис. 1.11.1,а). Бит четности (или нечетности) может отсутствовать. Когда передатчик бездействует (данные не посылаются на линию), на линии сохраняется уровень сигнала, соответствующий логической 1. Рис. 1.11.1.Формат асинхронной последовательной передачи данных Передатчик может начать пересылку символа в любой момент времени посредством генерирования стартового бита, т. е. перевода линии в состояние логического 0 на время, точно равное времени передачи бита. Затем происходит передача битов символа, начиная с младшего значащего бита, за которым следует дополнительный бит контроля по четности или нечетности. Далее с помощью стопового бита линия переводится в состояние логической 1 (рис. 31 1.11.1,б). При единичном бите контроля стоповый бит не изменяет состояния сигнала на линии. Состояние логической 1 должно поддерживаться в течение промежутка времени, равного 1 или 2 временам передачи бита. Промежуток времени от начала стартового бита до конца стопового бита (стоповых бит) называется кадром. Сразу после стоповых бит передатчик может посылать новый стартовый бит, если имеется другой символ для передачи; в противном случае уровень логической 1 может сохраняться на протяжение всего времени, пока бездействует передатчик. Новый стартовый бит может быть послан в любой момент времени после окончания стопового бита, например, через промежуток времени, равный 0.43 или 1.5 времени передачи бита. В линиях последовательной передачи данных передатчик и приемник должны быть согласованы по всем параметрам формата, изображенного на рис. 8, включая номинальное время передачи бита. Для этого в приемнике устанавливается генератор синхроимпульсов, частота которого должна совпадать с частотой аналогичного генератора передатчика. Кроме того, для обеспечения оптимальной защищенности сигнала от искажения, шумов и разброса частоты синхроимпульсов приемник должен считывать принимаемый бит в середине его длительности. Рассмотрим работу приемника с того момента, когда он закончил прием символа данных и перешел в режим обнаружения стартового бита следующего слова. Если линия перешла в состояние логического нуля и находится в этом состоянии в течение времени, не меньшего половины временного интервала передачи бита, то приемник переводится в режим считывания бит информации. В противном случае приемник остается в режиме обнаружения, так как вероятнее всего это был не стартовый бит, а шумовая помеха. В новом режиме приемник вырабатывает сигналы считывания через интервалы, равные времени передачи бита, т. е. выполняет считывание и сохранение принимаемых бит примерно на середине их передачи. Аналогичным образом будут считаны бит контроля четности и сигнал логической единицы (стоповый бит). Если оказалось, что на месте стопового бита обнаружен сигнал логического нуля, то произошла "Ошибка кадра" и символ принят неправильно. Иначе проверяется, четно ли общее число единиц в информационных битах и бите контроля, и если оно четно, производится запись принятого символа в буфер приемника. Передний фронт стартового бита сигнализирует о начале поступления передаваемой информации, а момент его появления служит точкой отсчета времени для считывания бит данных. Стоповый бит предоставляет время для записи принятого символа в буфер приемника и обеспечивает возможность выявления ошибки кадра. Наиболее часто ошибки кадра появляются тогда, когда приемник ошибочно синхронизирован с битом 0, который в действительности не является стартовым битом. Если передатчик бездействует (посылает сигнал логической единицы) в течение одного кадра или более, то всегда можно восстановить правильную синхронизацию. Хуже обстоит дело 32 при рассинхронизации генераторов передатчика и приемника, когда временной интервал между сигналами считывания принимаемых битов будет меньше или больше времени передачи бита. Например, если при считывании битов посылки, показанной на рис. 1.11.1,б, временной интервал между сигналами считывания станет на 6% меньше, чем время передачи бита, то восьмой и девятый сигналы считывания будут выработаны тогда, когда на линии находится бит контроля четности (рис. 3.4). Следовательно, не будет обнаружен стоповый бит и будет зафиксирована ошибка кадра, несмотря на правильность принятой информации. Однако при 18%-й рассинхронизации генераторов, когда вместо кода (01110001) приемник зафиксирует код (11100001), никаких ошибок не будет обнаружено - четность соблюдена и стоповый (девятый по порядку) бит равен 1 (см. рис. 1.11.2.). Рис. 1.11.2. Ошибка из-за рассинхронизации генераторов передатчика и приемника |