Машинные коды чисел

Машинная команда состоит из двух частей:

-операционная – группа разрядов  в команде, предназначенная для записи кода операции;

-адресная - группа разрядов в  команде, в которые записываются  коды адресов ячеек памяти машины, предназначенных для оперативного хранения информации.

Команды делятся на:

-безадресные;

-одно-, двух-, и трехадресные.

Структура трехадресной команды имеет следующий вид:

 

КОП

А1

А2

А3

 

КОП – код операции;

А1 и А2 – адреса регистров, где записаны числа, участвующие в операции;

А3 – адрес ячейки, куда записывается результат операции.

В одноадресной команде А1 – адрес регистра где хранится код числа или куда записывается результат. В двухадресной команде А1 - адрес регистра откуда берется первое число и куда записывается результат, а А2 – адрес регистра, где записано второе число, участвующее в операции.

Безадресная команда содержит только код операции, а информация заранее записывается в определенные регистры.

По группам выполняемых операций машинные команды делятся:

-операции пересылки информации  внутри компьютера;

-арифметические операции;

-логические операции;

-операции обращения к внешним устройствам;

-операции передачи управления;

-обслуживающие и вспомогательные  операции.

Архитектура и принципы фон Неймана

 

На основе критического анализа конструкции ENIAC и теоретических изысканий Джон фон Нейман (в своем докладе в июле 1945г.) предложил новые принципы создания компьютеров, состоящие в следующем:

1. Принцип двоичного кодирования: вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

2. Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4. Принцип адресности: структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

• процессор, состоящий из устройства управления (УУ), через которое идет поток команд и данных, и арифметико-логического устройства (АЛУ), производящего арифметические и логические операции
• устройства ввода и устройства вывода информации - внешние (периферийные) устройства (ВУ).
• запоминающие устройства (ЗУ) - память, в том числе оперативная (ОП) и внешние ЗУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура ПК – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Конструктивно ПК чаще всего выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства:

• клавиатура,
• дисплей,
• принтер и т.д

 

 

СИСТЕМНАЯ ПЛАТА

На системной плате (часто ее называют материнской платой - motherboard), в свою очередь, размещаются:

• микропроцессор;
• системные микросхемы (чипсет);
• генератор тактовых импульсов;
• модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
• микросхема CMOS-памяти;
• адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;
• контроллер прерываний;
• таймер и т. д.

В состав микропроцессора входят несколько компонентов:

• Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.
• Арифметико-логическое устройство (АДУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для, ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).
• Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины; МПП строится на регистрах для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).
• Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Порты ввода-вывода (I/O ports) — элементы системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами.

• Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта, или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.

 

СИСТЕМНАЯ ШИНА

 

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств, между собой. ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ

 

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств:

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).                                                           

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semicoaductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.

 

 

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

 

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти часто используются также накопители на оптических дисках (CD ROM — Compact Disk Read Only Memory) и реже — запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры). Популярными становятся также устройства флэш памяти.

 

Источник питания и таймер

 

Источник питания — блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер — внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания — аккумулятору, и при отключении машины от электросети продолжает работать.

 

Микропроцессоры.

 

Процессорное устройство выполняет машинные команды и координирует действия других устройств. Его часто называют процессором системы команд (Instruction Set Processor, ISP) или просто процессором. Процессорное устройство компьютера обычно называют центральным процессором (Central Processing Unit, CPU). Термин «центральный» в свое время отвечал реальному положению дел, поскольку в компьютере был только один процессор команд, но теперь в современных компьютерных системах имеется по нескольку процессоров.

Микропроцессор (МП) - функционально-законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Процессор выполняет следующие функции:

• вычисление адресов команд и операндов;
• выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
• выборку данных из ОП, регистров процессорной памяти и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
• обработку данных и их запись в ОП, регистры процессорной памяти и регистры адаптеров ВУ;
• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ЭВМ;
• переход к следующей команде.

Внутренняя организация процессоров постоянно совершенствуется, отражая развитие технологий и потребность рынка во все более производительных устройствах. Общая стратегия создания высокопроизводительных процессоров направлена на обеспечение параллельной работы как можно большего количества различных функциональных устройств. В частности, такие процессоры имеют конвейерную организацию, при которой выполнение очередной команды начинается до завершения предыдущей. При другом подходе, называемом суперскалярным функционированием, из памяти выбираются и одновременно выполняются несколько команд. Более подробно о конвейерной и суперскалярной архитектуре можно прочитать в специальной литературе. Здесь же мы сконцентрируем внимание на основных идеях, общих для всех процессоров.

Один из вариантов обобщенной структуры процессора представлен на рисунке. Здесь имеется блок, выбирающий команду из кэша команд, а если ее там нет - из основной памяти. Два отдельных процессорных блока предназначены для обработки целочисленных данных и данных с плавающей запятой. Кэш данных располагается между этими блоками и основной памятью. Технология разделения кэша команд и кэша данных широко применяется во многих современных процессорах. Есть и такие процессоры, в которых единственный кэш содержит и команды и данные. Процессор соединяется с системной шиной и остальной частью компьютера посредством шинного интерфейса.

Хотя на рисунке показано по одному целочисленному блоку и блоку для чисел с плавающей запятой, в процессоре может быть несколько устройств каждого из этих типов, обеспечивающих параллельное выполнение большего количества вычислений.

 

Основными параметрами процессоров являются:

• разрядность;
• рабочая тактовая частота;
• размер кэш-памяти;
• система команд;
• конструктив;
• рабочее напряжение и т. д.

 

Разрядность шины данных процессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции;

Разрядность шины адреса процессора определяет его адресное пространство.

Адресное пространство - это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано процессором.

Рабочая тактовая частота процессора во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов.

Кэш-память - быстрая память процессора (не регистровая)

Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается процессор.

Рабочее(ие) напряжение(ия) – набор напряжений с которыми работает процессор.

Основная память.

Физическая структура. Основная память содержит оперативное (RAM – Random Access Memory) с произвольным доступом и постоянное (ROM – Read-Only Memory) запоминающие устройства. ОЗУ предназначено для хранения информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе. ОЗУ является энергонезависимой памятью на основе БИС, состоящей матрицы триггеров. В настоящее время производятся следующие типы ОЗУ:

• SIMM – Single Inline Memory Module – статическая;
• DIMM – динамическая;
• RIMM – произвольного обмена;
• DDR – динамическая произвольного обмена.