Архитектура базовой ЭВМ: Учебное пособие. Лекции - Архитектура ЭВМ - файл Архитектура ЭВМ Лекции.doc Виды команд эвм

Александр Савватеев

Общие сведения

Вычислительная машина М-3 разработана под руководством И. С. Брука. Она относится к классу малых универсальных машин.

Машина выполняет действия над 31-разрядными числами с фиксированной запятой со скоростью 30 двухадресных операций в секунду. Оперативная память реализована на магнитном барабане и имеет емкость 2048 чисел. В случае подключения к ЭВМ памяти на магнитных сердечниках быстродействие возрастает до 1500 операций в секунду.

Устройств внешней памяти М-3 не имеет.

Для ввода-вывода информации используются перфолента и телетайп.

Машина имеет 770 электронных ламп и 3000 полупроводниковых диодов, потребляет 10 кВт электроэнергии. Для ее размещения достаточно 30-40 м 2 .

Память и структура информации

Оперативная память ЭВМ М-3 имеет объем 2048 31-разрядных чисел или команд. Все ячейки памяти равноправны между собой. Для обращения к ячейкам памяти используются 11-разрядные адреса. Разряды ячеек памяти нумеруются слева направо; старший (самый левый) разряд имеет номер 0.

Двоичные числа с фиксированной точкой содержат в нулевом разряде знак числа, а остальные 30 разрядов занимает абсолютная величина числа. Таким образом, М-3 использует прямой, а не дополнительный код для представления отрицательных чисел. Принято считать, что целая часть числа равна нулю, а разряды 1-30 содержат дробную его часть.

Десятичные числа также имеют нулевую целую часть. Их знак размещается в нулевом разряде, а в разрядах 1-28 расположены семь тетрад, кодирующих десятичные цифры дробной части числа. Разряды 29-30 не используются.

Ввод-вывод информации

Для ввода программы в память ЭВМ используется перфолента. Для каждой ячейки на перфоленте наносится ее адрес, признак конца адреса, значение этой ячейки и признак конца значения. В конце программы пробивается специальный признак. Ввод программы осуществляется при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления ЭВМ.

Для ввода данных также используется перфолента, но на ней набивается сплошной массив десятичных чисел без каких-либо дополнительных кодов. Их ввод обеспечивается программой с помощью специальной команды.

Вывод информации осуществляется на печатающее устройство типа телетайпа.

Система команд

ЭВМ М-3 относится к двухадресным машинам. Каждая команда занимает одну ячейку памяти. Разряд кода команды 0 не используется, разряды 1-6 содержат код операции, разряды 7-18 - адрес первого операнда, разряды 19-30 - адрес второго операнда и результата.

Арифметическое устройство ЭВМ М-3 имеет сумматор, в который заносится результат последней выполненной операции. Содержимое сумматора может быть использовано при выполнении следующей операции.

При получении отрицательного результата, в том числе отрицательного нуля, формируется признак w =1. При получении положительного результата признак w =0.

Все команды можно разделить на две группы: арифметико-логические и команды управления.

Код арифметико-логической команды имеет вид xy , где x - модификатор операции (одна восьмеричная цифра); y - код операции (вторая восьмеричная цифра). Возможные значения кодов и модификаторов арифметико-логических операций приведены в нижеследующих табл. 1-2.

Таблица 1

Таблица 2

В табл. 1 a и b означают ячейки памяти, заданные первым и вторым адресом в коде команды соответственно; r - регистр-сумматор.

Команды управления не имеют модификаций, поэтому их код всегда занимает две восьмеричные цифры. Список команд управления приведен в табл. 3.

Таблица 3

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации. 1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое. 2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (последнее в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам. 3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка. 4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз). 5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи. 6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят немногочисленные операции по управлению процессором -типа «останов» или НОП («нет операции»). Иногда их выделяют в особую группу. С ростом сложности устройства процессора увеличивается и число команд, анализирующих состояние управляющих битов и воздействующих на них. Здесь для примера можно назвать биты режима работы процессора и биты управления механизмами прерываний от внешних устройств. В последнее время все большую роль в наборе команд играют команды для преобразования из одного формата данных в другой (например, из 8-битного в 16-битный и т.п.), которые заметно упрощают обработку данных разного типа, но в принципе могут быть заменены последовательностью из нескольких более простых команд. Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором - RISC (Reduced Instruction Set Computer). Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически (в одной из популярных статей это в шутку сформулировано в виде следующей наглядной аналогии: «20% населения выпивают 80% пива»). Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации «отброшенных» команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования. Подробнее вопросы, связанные с системой команд современных микропроцессоров, будут рассмотрены ниже в этой главе. Подводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команд довольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения. Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится. У нескольких немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; операционная часть имеется, всегда. Код операции можно представить себе как некоторый условный номер в общем списке системы команд. В основном этот список построен в соответствии с определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегда очевидны. Адресная часть обладает значительно большим разнообразием и ее следует рассмотреть подробнее. Прежде всего отметим, что команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от числа участвующих в них операндов. Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить в адрес A3. Если для операции требовалось меньшее число адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и A3, а содержимое А2 не имело никакого значения. Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Действительно, длина команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части одной команды требуется 3*10 = 30 двоичных разрядов, что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов. Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в ячейку с адресом A3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется выполнить три команды: извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор; сложить сумматор с числом из А2; записать результат из сумматора в A3. Может показаться, что одноадресной машине для решения задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения А5 = (А1 + А2)*АЗ/А4 и вы обнаружите, что потребуется три трехадресных команды и всего пять одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов. Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти -стек. Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов (например, типа «БЗ-21» и «БЗ-34» и им подобных). До сих пор в описании структуры машинной команды мы пользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперь вопрос об адресации элементов ОЗУ более подробно и строго. Наиболее просто была организована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второго поколения состояла из 36 двоичных разрядов. Очень часто программа предназначалась для обработки по одним и тем же формулам определенного количества содержимого последовательно расположенных ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получили впоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотрены особые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью в машинных командах помимо обычных адресов можно было использовать модифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу. К помеченным таким образом модифицируемым адресам при выполнении команды прибавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимое индексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива. Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ в момент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась без изменений. Описанный механизм модификации адресов существенно упрощал написание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательных ячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п. В ЭВМ третьего поколения идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатывать несколько типов данных: символы текста (1 байт), целые числа (2 байта), вещественные числа обычной или двойной точности (4 или 8 байт соответственно). В связи с этим была введена новая условная единица измерения информации - машинное слово. Оно равнялось 4 байтам и соответствовало длине стандартного вещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах, кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номер ячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относится к отдельному байту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит из нескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобно принимать адрес одного из образующих его байтов (обычно используется младший байт, имеющий наименьший номер). Таким образом, адреса слов меняются уже не через единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах и равняется четырем. Размер машинного слова был, по-видимому, выбран исходя из форматов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либо устройств. Для подтверждения этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМ третьего поколения из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели «ЕС-1022» имело 16 двоичных разрядов, «ЕС-1033» - 32 разряда, а «ЕС-1050» - 64 разряда. В то же время за одно обращение к оперативной памяти в «ЕС-1022» и «ЕС-1033» выбиралось 4 байта, в «ЕС-1050» - 8 байт (а в «ЕС-1045» - 16 байт). Таким образом, разнообразие цифр свидетельствует, что 32 разряда (4 байта) не являлись каким-то технически выделенным объемом информации. В машинах третьего поколения появились и еще несколько особенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрение особенностей строения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим до следующего раздела.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд, поэтому далее рассмотрим этот вопрос.

Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага.

В коде команды выделяются определенные разряды (поля) для размещения сведений:

О типе операции,

Адресов ячеек оперативной памяти, в которых хранятся обрабатываемые данные,

Адреса ячеек памяти, куда будет записываться результат выполнения операции.

Заранее обговоренная структура полей, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода команды называется Форматом команды .

Примеры форматов команд приведены на рисунке 5.

Рисунок 5

Главным элементом кода команды является код операции (КОП), что определяет, какие действия будут выполнены по данной команде. Под него выделяется N старших разрядов формата.

В остальных разрядах размещаются А1 и А2 - адреса операндов, А3 - адрес результата.

Распределение полей в формате команды может изменяться при смене способа адресации.

Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на безадресные; одно-, двух-, трехадресные.

Вспомним, что в коде команды содержится информация о данных, над которым нужно совершить некоторую операцию. Эти данные называют операндами. Обычно операнды содержатся в оперативной или регистровой памяти ЭВМ. Способ поиска операндов в памяти также определяет формат команды.

Существуют 2 различных принципа поисков операндов в памяти: ассоциативный и адресный:

- Ассоциативный поиск (поиск по содержанию запоминающей ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кода, содержащего заданный командой ассоциативный признак.

- Адресный поиск предполагает, что операнд находится по адресу, указанному в адресном поле команд.

Различают исполнительный адрес операнда и адресный код команды.

Исполнительным адресом операнда называется двоичный код номера ячейки памяти, по которому будет записан или считан операнд.

Адресным кодом команды называется двоичный код в адресном поле команды, с помощью которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда. В ЭВМ адресный код и исполнительный адрес не совпадают, поэтому способ адресации можно определить, как способ формирования исполнительного адреса по адресному коду команды.

Эти понятия в дальнейшем будем использовать в описании способов адресации к операндам.

Способы адресации к операндам в зависимости от типа поиска операндов в памяти классифицируют:

1) по наличию адресной информации в команде на:

- явную адресацию. При таком способев коде команде есть поле адреса операнда;

- неявнуюадресацию. При таком способе адресное поле в команде отсутствует, а адрес операнда подразумевается кодом операции. Например, из команды может быть исключен адрес приемника адресата, при этом подразумевается, что результат записывается на месте второго операнда.

2) по кратности обращения в оперативную память:

- непосредственную адресацию (direct addressing). При непосредственной адресации операнд располагается непосредственно в адресном поле команды (рисунок 6).

Рисунок 6

- прямую адресацию (immediate addressing). При прямой адресации обращение за операндом производится по адресному коду в поле команды. При этом исполнительный адрес совпадает с адресом кода команды. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 7).

Рисунок 7

- косвенную адресацию (indirect addressing). При косвенной адресации код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится не сам операнд, а его адрес, называемый указателем. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 8).

Рисунок 7

3) по способу формирования адресов ячеек памяти:

- Абсолютная адресация предполагают, что двоичный код адреса ячейки памяти может быть целиком извлечен либо из адресного поля команды, либо из какой-нибудь другой ячейки в случае косвенной адресации.

- Относительная адресация предполагают, что двоичный код операнда образуется из нескольких составляющих:

Б - код базы;

И - код индекса;

С - код смещения.

Эти составляющие используются в различных сочетаниях.

Виды относительной адресации:

Рисунок 9

Для формирования адреса операнда используется регистровая память.

Адрес i -операнда в массиве определяется как сумма начального адреса массива операнда, задаваемого смещением S, и индекса i , записанного в одном из регистров регистровой памяти, называемым индексным регистром.

Адрес индексного регистра задается в команде полем адреса индекса Аи.

В каждом i-том цикле содержимое индексного регистра изменяется на постоянную величину, как правило, это 1.

Для работы программ с массивами, требующими однотипных операций над элементами массива, удобно использовать такой тип адресации

2) Автоиндексная адресация. При автоиндексации косвенный адрес, находящийся в регистре РП, автоматически увеличивается (автоинкрементная адресация), или уменьшается (автодекрементная адресация) на постоянную величину до или после выполнения операции.

3) Стековая адресация . Стековая память широко используется в современных ЭВМ. Хотя адрес обращения в стек отсутствует в команде, он формируется схемой управления (рисунок 9):

Рисунок 9

Для чтения записи доступен только один регистр - вершина стека.

Этот способ адресации используется, в частности, системой прерывания программ при вызовах подпрограмм.

Стековая память реализуется на основе обычной памяти с использованием указателя стека и автоиндексной адресации. Логически ячейки памяти, отводимые под стек, организованы так, чтобы считывание последнего записанного адреса производилось первым, а первого записанного адреса производилось последним. Такая логическая организация формируется специальным счётчиком. Этот счётчик называется указателем стека SP – это регистр микропроцессора. Ячейка памяти, в которую в данный момент может быть записан, например адрес возврата из подпрограммы, называется вершиной стека . Количество ячеек памяти, предназначенных для организации стека, называется глубиной стека . Последняя ячейка памяти, в которую можно производить запись называется дном стека . Запись в стек производится с использованием автодекрементной адресации, а чтение - с использованием автоинкрементной адресации (рисунок 10).

Рисунок 10

Пример. Вызов подпрограммы, написанной на языке С.

В языке С подпрограммы называются функциями. Функция может иметь аргументы и локальные переменные, т. е. переменные, существующие только в процессе выполнения функции. Предположим, функция зависит от двух входных аргументов х и у целого типа и использует три локальные переменные а, b и с также целого типа. Функция возвращает целое значение.

Подпрограмма:

Основная программа:

Например, в определённом месте программы вызывается функция f с аргументами х = 2, у = 3. Вызывающая программа помещает фактические значения аргументов х и у функции f в стек, при этом наверху стека лежит первый аргумент функции, под ним - второй аргумент. При выполнении инструкции вызова функции вверх стека помещается также адрес возврата. В начале работы функции f стек имеет следующий вид:

Перед выполнением функция f должна захватить в стеке область памяти под свои локальные переменные а, b, с.

Множество реализуемых машинных действий образует её систему команд .

Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком (“машинном”) уровне они имеют много общего.

Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:

1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.

Обмен между регистрами процессора,

Процессора и оперативной памятью,

Процессора и периферийными установками.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим операциям обычно относятся сложение и вычитание (последняя чаще всего сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным алгоритмам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Например, операции сравнение или известные логические операции И, ИЛИ, НЕ. Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего относят условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят немногочисленные операции по управлению процессором – типа «останов» или НОП («нет операции»). Иногда их выделяют в особую группу.

Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором – RISC (Reduced Instruction Set Computer). Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически. Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации “отброшенных” команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования.

Одно определение понятия процессора было дано во введении.

Процессор – функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информационных потоков на основе принципа программного управления.

Процессор выполняет функцию выполнения программ (помещаются в ОЗУ) путем выборки, проверки и последовательного выполнения действий, предписанных командами. По-другому: процессор исполняет предписанные командами действия над кодированной информацией в соответствии с программами.

В современных компьютерах процессор (ядро ЭВМ) есть не формальное объединение АЛУ и ЦУУ, а результат развития структуры ЭВМ, призванный обеспечивать высокое быстродействие и широкие функционально-логические возможности обработки информации. В частности, появление новых ЭВМ привело к необходимости появления компьютере и в процессоре

1) системы прерывания;

2) новых уровней памяти;

3) средств защиты памяти;

4) использования специальных типов индексации, адресации информации;

5) кэш-память команд, ветвлений, предсказаний обменов и т.д.;

6) специальных процедур управления вычислительным процессом

Все эти подсистемы и устройства частично или целиком входят в процессор. Главное же новое структурное явление в процессоре – СОЗУ.

Поэтому ныне процессор имеет более развитую структуру, повторяющую в известном смысле структуру машины фон Неймана.

Но мы не будем касаться новых направлений в организации процессоров. Их осветят в полной мере в курсе «Микропроцессоры».

3.1. Система команд ЭВМ.

Система команд ЭВМ определяется структурой и форматами команд, а также списком (перечнем) команд и способами адресации.

Командой называется некоторым образом кодированная информация, определяющая выработку в ЭВМ последовательностей сигналов, предназначенных для выполнения определенной операции (действия) машины над заданными числовыми и нечисловыми кодами.

Поскольку, в конечном счёте, команда тем или иным образом вводится в ЭВМ и ею воспринимается, то конечный вид команды – цифровой код.

Соответственно, конечной формой программы работы ЭВМ (программу можно определить как специальным образом формализованный алгоритм обработки информации) является программа в кодированных командах.

3.1.1. Структура и форматы команд.

В соответствии с введенным определением команды, структура последней имеет операционную и адресную части (что и над какими данными надо сделать), а также служебную часть, определяющие особенность выполнения данной команды (модификацию) в зависимости от значений тех или иных признаков.

Адрес (адреса), содержащийся в адресной части команды, в наиболее распространенном случае указывает номер ячейки ОЗУ, в которой записано (хранится) участвующее в операции число (его код) – слагаемое, множимое, делимое и т.д., код нечисловой информации (адрес, строка символов, состояние устройства и т.д.) Обобщённо и для простоты обычно говорят: в ЗУ хранятся операнды.

Однако, если говорить о команде как о предписании, то наиболее полная его форма должна указывать не только адреса всех чисел, участвующих в операции, но и адрес ячейки, в которую следует поместить результат, а также адрес источника следующей команды. Это перечисление подводит к необходимости иметь в команде четыре адреса.

И на самом деле, такие четырехадресные команды существуют. С такого «формата» команды «стартовали». Но адресов в команде может быть и меньше, и больше!

Адрес источника следующей команды может отсутствовать, поскольку программу (последовательность команд) наиболее естественно и целесообразно размещать в некотором массиве рядом расположенных ячеек ЗУ. И если команды записаны последовательно (от номера 1 до номера n), то весьма просто аппаратно (счетчиком!) реализовать смену адреса ячейки-источника очередной команды. Заметим, что такой порядок выборки называется естественным , тогда как при задании адреса команды в команде порядок выборки именуется принудительным . Заметим также, что использование естественного порядка выборки команд приводит к необходимости введения специальных команд, изменяющих порядок вычислений (путём изменения содержимого счетчика номеров ячеек команд). Это необходимо для обеспечения алгоритмической вычислимости. При принудительном порядке выборки специальные команды не нужны, т.к. каждая команда «меняет» порядок выборки .

Функциональная и структурная организация ЭВМ.

Триггеры

Это элемент памяти. Устройство способное запоминать, хранить и т.п. информацию.

RS триггеры состоят из двух вентилей, один вентиль это или не , второй и не.

RS триггер запоминает на какое его вход подавался сигнал равный единице в последний раз. Если сигнал подавался на S вход, тогда триггер хранит еденицу. Если сигнал подавался на R вход, тогда триггер хранит нуль.

0 1 1 - устанавл. 1

1 0 0 - устанавл 0

1 1 - недопускается

Соединив сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматоры для двоичных чисел с любым количеством разрядов.

Сумматоры и полусумматоры это однотактные логические схемы. Триггеры –многотактовые.

Регистры – предназначены для записи, хранения и преобразования записанных в них чисел.В качестве элементарной ячейке регистра используется триггер.

Счётчик – узел предназначенный для полсчёта числа сигналов на входе, и фиксации результатов в двоичном коде.

Это абстрактная модель описывающая возможности ЭВМ. Она определяется типом решаемых задач и потребностями в ресурсах и типами задач (память, хар-ки процессора).

Структурная организация ЭВМ – это физиуеская модель, устанавливающая порядок и взаимоствязи компонентов и блоков.

Командой называется совокупность информации, в виде двоичного кода, занимающие определенные поля необходимые процессору, для выполнения требуемых действий.

Формат команды обговорённая структура её полей, кода, включает код операции и адреса операндов, и адрес результата.

Коп. ß--- а3---à

Способы адресации: адресный и ассоциативный(поиск по содержанию).Ассоциативный – просмотр всех ячеек для выявлении кодов содержащие команду.

Адресный поиск– информация, извлекается из памяти по номеру содержащемуся в адресной ячейке. По виду бывает явной и неявной. Явная – ячейки адресного кода не содержит. Неявная адресация используется при стековой адресации.

Стек пуст запись запись чтение В чтение А стек пуст

Стек – группа последовательных ячеек памяти или регистров. Адрес обращения стека отсутствует, и формируется схема управления по следующему правилу. Для чтения или записи доступен только один регистр, одна ячейка - вершина стека. Последний записанный регистр будет считаться первым.

Автоиндексная адресация – применяется в современных компьютерах. Содержимое регистровой памяти или увеличивается или уменьшается, до или после выполнения операции, на постоянно определённую, заданную величину. Этот вид используется при обработки больших массивов данных.

Принцип академика Глушкова.

Универсальное устройство в обработки информации (1956 год). Состоит из регистров, сумматоров и других узлов, позволяющих принимать хранить и преобразовывать информацию. Процесс функционирования во времени устройства обработки информации состоит из последовательности тактовых интервалов, в которых операционный блок производит определённые операции, выполнение этих операций происходит по управляющим сигналам.

Микропрограмма – последовательность микрокоманд, обеспечивающие выполнение операции.

Микрокоманда – последовательность управляющих сигналов.