WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
Министерство образования Российской Федерации Воронежский государственный университет А.П.Толстобров АРХИТЕКТУРА ЭВМ Учебное пособие Направление подготовки дипломированного специалиста 654700 – «Информационные системы» (специальность 07900) и направление подготовки бакалавров 511800 – «Математика. Компьютерные науки» Воронеж 2004 УДК 681.31 Рекомендовано научно-методическим советом факультета компьютерных наук Воронежского государственного университета.

В пособии рассматриваются основные принципы построения ЭВМ с фон-неймановской архитектурой: структура центрального процессора, система команд, организация ввода-вывода, управление памятью. Оно предназначено для использования в качестве учебных материалов по дисциплине «Архитектура ЭВМ», изучаемой студентами первого курса факультета компьютерных наук, и является вводным курсом для цикла дисциплин, связанных с программированием и использованием вычислительной и микропроцессорной техники.

Составитель – А.П.Толстобров Пособие подготовлено на кафедре Информационных систем факультета компьютерных наук Воронежского государственного университета Рекомендуется для студентов 1 курса направления подготовки дипломированного специалиста 654700 – «Информационные системы», специальности 07900 – «Информационные системы и технологии» по дисциплине «Архитектура ЭВМ и систем» и направления подготовки бакалавров 511800 – «Математика. Компьютерные науки» по дисциплине «Архитектура ЭВМ и системное программное обеспечение» © Толстобров Александр Павлович, 2004 © Воронежский государственный университет, 2004 3 Введение За полувековую историю развития ЭВМ сменилось несколько поколений электронных вычислительных систем, кардинальным образом изменилась их технология и элементная база, их качественные характеристики, значительно расширилась сфера применения компьютерной техники. Эти факторы, естественно, усложняют изучение этого вида техники. Интересно, однако, что, несмотря на множество поколений, семейств, типов и конкретных реализаций ЭВМ, в основе большинства из них лежат общие принципы, сформулированые в 1946 году американским ученым Джоном фон-Нейманом. Важность изучения этих принципов при подготовке специалистов в области компьютерных технологий обусловлена не только тем, что они до сих пор лежат в основе большинства современных ЭВМ и компьютерных систем. Их знание необходимо для успешного понимания других уже «не фоннеймановских» архитектурных принципов и технических решений, используемых при построении и развитии современных компьютерных устройств и систем, по нимания необходимости и условий использования этих новых принципов, достигаемого при этом эффекта и цены, которую приходится платить для его достижения.

Сложность современных вычислительных машин закономерно привела к понятию архитектура ЭВМ, охватывающего описание принципов организации цифровой вычислительной системы на некотором общем уровне, ориентированном в первую очередь на пользователя, интересующегося главным образом возможностями машины, а не деталями ее технического исполнения. Этот уровень не отражает такие проблемы, как управление и передача данных внутри процессора, конструктивные особенности логических схем и специфика технологии их производства. В круг рассматриваемых вопросов входят способы представление информации в ЭВМ и принципы построения устройств для выполнения арифметических и логических операций, структура центрального процессора ЭВМ, проблемы кодирования и выполнения команд ЭВМ, организация памяти ЭВМ и системы адресации, управление памятью, организация совместной работы входящих в ЭВМ устройств, операции ввода-вывода информации и т.д. Знание этих аспектов организации ЭВМ необходимо для обеспечения эффективного использования всех возможностей конкретной компьютерной системы, при программировании на машинно-ориентированном языке (например, в машинных кодах, на языке ассемблера).

1. Принципы организации ЭВМ с фоннеймановской архитектурой 1.1. Обобщенная структура ЭВМ Типичная цифровая ЭВМ включает в себя три основных компонента:

процессор, память и внешние устройства. Ее обобщенная блок-схема представлена на рис.1.1.

Память ЭВМ Процессор Внешние устройства Рис.1.Процессор или центральный процессор (ЦП) – это устройство, предназначенное для выполнения основных операций по обработке данных, арифметических и логических операций над числами, управления работой других частей ЭМ.

Память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – предназначено для хранения кодов команд, составляющих выполняемую ЭВМ программу, и данных или операндов, т.е. двоичных чисел или кодов, над которыми процессор ЭВМ выполняет задаваемые командами операции.

Через устройства ввода-вывода или внешние (периферийные) устройства осуществляется взаимодействие ЭВМ с внешним миром.

Компоненты ЭВМ связаны друг с другом с помощью специальной шины или канала ЭВМ, представляющих собой набор линий связи, предназначенных для передачи информационных и управляющих сигналов между компо нентами ЭВМ.

Приведенная схема является настолько привычной, что кажется почти очевидной. Однако, совсем не праздными являются вопросы, почему типичная ЭВМ включает в себя указанные компоненты, являются ли они обязательными, возможны ли другие способы построения ЭВМ, каково должно быть устройство основных элементов ЭВМ, наконец, что же общего между первыми ЭВМ и современными компьютерами.

В 1946 году Джон фон-Нейман вместе с группой работавших вместе с ним ученых сформулировал основные принципы, которым должно удовлетворять устройство, получившее название электронная вычислительная машина или ЭВМ. Эти принципы оказались настолько основополагающими, что и до настоящего времени, несмотряна смену большого числа поколений ЭВМ, большинство из них основано на использовании этих принципов, по лучивших название фон-неймановских принципов организации ЭВМ.



1.2. Принципы организации ЭВМ Принципы, которым удовлетворяют ЭВМ с фон-неймановской архитектурой, заключаются в следующем:

1. ЭВМ – это машина с хранимой (в памяти ЭВМ) программой, представленной в виде последовательности команд.

2. Выполняемые ЭВМ команды и операнды, т.е. данные, над которыми выполняется задаваемая командой операция, представлены в ЭВМ в виде двоичного кода с определенным количеством разрядов.

3. Память ЭВМ организована в виде последовательности запоминающих ячеек, в каждой из которых может храниться (запоминаться) некоторый двоичный код – число иликод символа алфавита, представляющие обрабатываемые данные, код команды ЭВМ. В конкретный момент времени можно обратиться для записи или чтения к любой одной из этих ячеек независимо от ее расположения в памяти, указав адрес (порядковый номер) этой ячейки. Таким способом организованная память называется памятью с произвольным доступом.

4. В ЭВМ используется общая память как для хранения данных, так и для хранения команд. При этом в кодах самих данных и команд отсутствуют признаки, позволяющие явно отличать их друг от друга. Процессор различает данные и команды только по контексту выполняемой программы.

5. Предназначение данных, их тип и способ использования также явно не указываются. Они определяются и различаются по контексту выполняемой программы.

6. В классической фон-неймановской ЭВМ используется один центральный процессор.

1.3. Контрольные вопросы 1. Объясните, в чем состоит принципиальный смысл формулы «ЭВМ – это машина с хранимой программой» 2. Какая система счисления и почему выбрана в фон-неймановской ЭВМ для внутреннего представления чисел 3. Представление в памяти фон-неймановской ЭВМ данных и команд.

4. Что такое программа ЭВМ В каком виде и где она должна размещаться, для того чтобы процессор мог ее выполнять 5. Для чего в ЭВМ нужна память Особенности организации памяти фоннеймановской ЭВМ.

6. Что такое «память с произвольным доступом», возможны ли другие спо собы доступа к ячейкам памяти, другие способы организации памяти 7. Что такое адрес ячейки памяти ЭВМ 8. В ЭВМ с фон-неймановской архитектурой данные и команды хранятся:

a) раздельно в памяти команд и памяти данных;

b) в общей памяти;

c) данные хранятся в памяти ЭВМ, а команды поступают от внешних устройств;

d) команды находятся в памяти ЭВМ, а данные принимаются из портов внешних устройств;

e) ваш вариант.

В чем преимущество выбранного Вами решения 9. Можно ли по содержимому ячейки памяти фон-неймановской ЭВМ определить, что в ней находится: команда, целое число без знака, число со знаком и т.д., если да, то каким образом 10. Каким образом процессор фон-неймановской ЭВМ определяет, из каких ячеек памяти следует выбирать команды, а из каких данные 2. Представление информации в ЭВМ. Системы счисления и арифметические операции над числами 2.1. Виды информации Фон-неймановский компьютер представляет собой систему обработки информации, представленной в виде двоичного кода, то есть выраженной в виде последовательности нулей и единиц. Это обусловлено тем, что для представления такого кода можно использовать физические процессы и объекты, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях. Такие процессы и объекты реализуются гораздо проще, чем имеющие большее число состояний. Кроме того, существенно проще реализуются устройства, осуществляющие обработку таким образом представленной информации, в частности, арифметических операций над числами.

Один двоичный разряд позволяет представить минимальную «порцию» информации, равную одному биту. Восемь двоичных разрядов образуют байт. Шестнадцать двоичных разрядов образуют слово, состоящее, в свою очередь, из младшего (правого) и старшего (левого) байтов.

разряды (биты) старший младший байты слово Рис.2.Последовательность двоичных разрядов может быть использована для кодирования различных видов информации.

• Логическая информация. В этом случае два состояния каждого двоичного разряда представляют собой одно из состояний логической переменной – истина (true) или ложь (false).

• Алфавитно-символьная информация. Для кодирования символов какого-либо алфавита используется определенное количество двоичных разрядов. Набор из n двоичных разрядов позволяет представить алфавит из 2n символов. Обычно для кодирования алфавитно-цифровых символов используется байт. С помощью байта можно кодировать символы алфавита, состоящего из 28 = 256 различных символов. При этом возможны и практически используются различные кодировки или кодовые таблицы соответствия двоичных кодов конкретным символам : ASCII, КОИ8, DOS, Windows и другие, что создает на практике определенные трудности при интерпретации алфавитно-символьной информации в различных программных системах.

• Числовая информация. Двоичный код представляет собой ту или иную форму чисел (без знака и со знаком, целое, дробное с фиксированной или плавающей точкой).

2.2. Выбор системы счисления для представления чисел в ЭВМ Общепринятой в человеческой практике формой представления чисел является использование позиционной системы счисления. В позиционной системе счисления вес, т.е. значимость каждой цифры, составляющей число, определяется его позицией внутри числа. В соответствии со своей позицией каждая цифра числа умножается на коэффициент, представляющий собой так называемое основание системы счисления, возведенное в степень, равную номеру позиции данной цифры слева направо. Например:





572410 = 5·103 + 7·102 + 2·101 + 4·100 – целое число в десятичной системе счисления 34,8510 = 3·101 + 4·100 + 8·10-1 +5·10-2 – дробное число в десятичной системе 27318 = 2·83 + 7·82 + 3·81 + 1·80 – целое число в восьмеричной системе 110102 = 1·24 + 1·23 + 0·22 + 1·21 + 0·20 – целое число в двоичной системе счисления Для представления чисел в ЭВМ была выбрана двоичная система счисления. Эта система, являясь наиболее простой, использует только две цифры – 0 и 1.

В таблице 2.1 приведено взаимное соответствие чисел, представленных в десятичной и двоичной системах счисления, а также восьмеричной и шестнадцатеричной системах.

Таблица 2.Шестнадцате- ДвоичноДесятичная Двоичная Восьмеричная ричная десятичная 0 0 0 0 1 1 1 1 2 10 2 2 3 11 3 3 4 100 4 4 5 101 5 5 6 110 6 6 7 111 7 7 8 1000 10 8 9 1001 11 9 10 1010 12 A 1 11 1011 13 B 1 12 1100 14 C 1 13 1101 15 D 1 14 1110 16 E 1 15 1111 17 F 1 16 10000 20 10 1 17 10001 21 11 1 18 10010 22 12 1 19 10011 23 13 1 20 10100 24 14 10 21 10101 25 15 10 22 10110 26 16 10 23 10111 27 17 10 24 11000 30 18 10 25 11001 31 19 10 26 11010 32 1A 10 27 11011 33 1B 10 28 11100 34 1C 10 29 11101 35 1D 10 30 11110 36 1E 11 31 11111 37 1F 11 32 100000 40 20 11 Причина использования восьмеричной и шестнадцатеричной систем в компьютерных приложениях лежит в простоте их перевода в двоичную систему и обратно. В таблице приведено также представление чисел в двоичнодесятичной системе.

2.3. Представление в ЭВМ целых двоичных чисел без знака Обычной моделью представления целых чисел является бесконечная числовая ось (рис.2.2), на которой при движении слева направо числа последовательно увеличиваются на единицу.

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Рис.2.Так как в фон-неймановской ЭВМ для представления чисел используется конечное число разрядов, то, следовательно, и все множество представимых в ЭВМ целых чисел также оказывается конечным. В связи с этим представляющая эти числа числовая ось как бы замыкается сама на себя, как это по казано на рис.2.3 для четырехразрядных двоичных чисел.

13 14 15 0 1 1101 1110 1111 0000 0001 12 0011 1010 1001 1000 0111 0110 10 9 8 7 6 Рис.2.Дело в том, что в аппаратных средствах ЭВМ, оперирующих с двоичными числами с конечным числом разрядов, имеются физические элементы для представления и отображения только этих разрядов. Поэтому операция прибавления единицы к наибольшему представимому в данном примере числу 1111 приведет к переходу не к числу 10000, а к числу 0000, т.к. возникающий в результате переноса пятый разряд аппаратурой не фиксируется и для пользователя никаким образом не проявляется.

2.4. Представление в ЭВМ целых чисел со знаком Очевидно, что при использовании для представления чисел со знаком конечного количества двоичных разрядов как отрицательные, так и положительные двоичные числа могут быть представлены только экземплярами из имеющегося конечного набора (множества) чисел. Возможная конкретная форма представления в ЭВМ чисел со знаком, т.е. взаимного соответствия двоичных кодов с фиксированным количеством разрядов конкретным положительным и отрицательным числам, может быть различной. Конкретный выбор этой формы имеет очень большое значение, т.к. от этого в большой степени определяет алгоритм выполнения основных арифметических операций над числами со знаком и, следовательно, сложность реализации устройств, осуществляющих в ЭВМ эти операции.

Обычно для представления отрицательных чисел в ЭВМ используют так называемый двоично-дополнительный код. Пример такой формы представления чисел со знаком для четырехразрядных чисел может быть наглядно представлен в виде замыкающейся самой на себя числовой оси, как это показано на рис.2.4.

-3 -2 -1 0 1 1101 1110 1111 0000 0001 -4 Отрицательные Положительные числа числа -0100 1010 1001 1000 0111 0110 -6 -7 -8 7 6 Рис.2.Алгоритм получения двоично-дополнительного кода отрицательного числа из соответствующего ему положительного числа достаточно прост.

– Вначале следует проинвертировать все разряды исходного положительного числа, т.е. заменить в нем все нули на единицы, а единицы на нули, после чего к результату прибавить единицу.

Например:

для 4-разрядных чисел для 8-разрядных чисел +310 = 00112 +310 = 1100 + + 1 –310 = Каковы свойства такого представления двоичных чисел со знаком Как видно из диаграммы на рис.2.4:

1. Положительные числа представляются обычным образом;

2. У всех положительных чисел старший разряд равен нулю, а у всех отрицательных равен единице;

3. При переходе по часовой стрелке от одного числа к другому, как для положительных, так и для отрицательных чисел, каждое следующее число на единицу больше предыдущего, как это имеет место для обычного представления чисел на бесконечной числовой оси;

4. Сумма положительного числа и равного ему по абсолютной величине отрицательного числа равна нулю.

Наиболее важным доводом в пользу такого представления чисел со знаком является то, что арифметическая операция вычитания может быть заменена в этом случае операцией алгебраического сложения чисел со знаком.

Рассмотрим примеры:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.