🗊Презентация Архитектурные особенности модели микропроцессорной системы. Упрощенная архитектура типовой микро-ЭВМ. (Лекция 4)

Архитектурные особенности модели микропроцессорной системы Лекция 4

Упрощенная архитектура типовой микро-ЭВМ.  Архитектура – это совокупность свойств и основных характеристик, раскрывающих возможности ЭВМ и ВС (функциональные средства, принципы обработки данных, организация вычислительного процесса, логическая организация совместной работы различных устройств). Первая архитектура ЭВМ была разработана до её появления, и ей были свойственны следующие характерные черты:   Единственная и последовательно адресуемая память;   Хранение программ и данных в одной памяти;   Последовательное выполнение команд программы до появления специальных указаний (команд перехода). 

Упрощенная архитектура типовой микро-ЭВМ.  Особенностями фон-неймановской архитектуры является:   Хранимая программа (программы вместе с данными хранятся в памяти);   Линейная память (линейное пространство адресов, которым присваиваются порядковые номера 0, 1, 2, …);    Последовательное выполнение команд программы;    Отсутствие различий между данными и командами;    Отсутствие различий в семантике данных (типах объектов). 

Упрощенная архитектура типовой микро-ЭВМ.  В 70-х годах начался активный пересмотр фон-неймановской архитектуры, причинами которого были:   Понимание неизбежности кризиса программного обеспечения (ростом потребностей пользователей);   Расширение приложений, требующих высокой надёжности;    Сложность задач и сложность обеспечения параллелизма при их обработке;    Проблемы с пересылками (процессор – основная память);   Развитие СБИС-технологий. 

Упрощенная архитектура типовой микро-ЭВМ.  Материнская плата микрокомпьютера (англ. motherboard), или системная плата, основное устройство, определяющее архитектуру и производительность компьютера. На материнской плате прежде всего размещаются: Центральный процессор (Central Processor Unit, CPU) – главная микросхема, выполняющая вычислительные и логические действия; Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем для хранения данных во время работы компьютера; ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема для долговременного хранения данных; Шины – наборы проводников для обмена сигналами между внутренними компонентами компьютера; Набор микросхем, управляющих работой внутренних компонентов компьютера и определяющих функциональные возможности материнской платы; Разъемы (слоты) – расширения для подключения дополнительных устройств.

Упрощенная архитектура типовой микро-ЭВМ.  Системная магистраль данных (шина). Шина - совокупность проводников, предназначенных для обмена данными между различными устройствами компьютера. Шина - общий канал связи, по которому внутри устройства передаются данные; она используется совместно различными блоками системы. Для рабочих мест на основе микропроцессора Intel-80486 с интенсивным использованием графики (анимация, САПР) где требуется обеспечить высокую пропускную способность ввода – вывода для двух – трёх контроллеров, например, видеоконтроллера и контроллера дисков, целесообразно выбрать локальную видеошину VESA. При этом можно получить компьютер с высокопроизводительными видео- и дисковой системами. Шина VESA (или локальная шина, VL – шина) разработана ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association). Эта шина обеспечивает более дешевое  и более эффективное подключение высокоскоростных внешних устройств, поддерживая непосредственный доступ центрального процессора к соответствующим контроллерам (видеоконтроллерам, контроллерам жестких дисков, адаптерам локальной сети). Для использования остальных устройств на компьютер устанавливается другая шина EISA. Благодаря разработанным ассоциациям VESA правилам «шинного арбитража» эти шины могут сосуществовать в одном компьютере не мешая друг другу. Компьютеры с шинами VESA и EISA часто называют «VESA/ EISA».

Структура оперативной памяти. Оперативная память (RAM, ОЗУ) обеспечивает работу с программным обеспечением. Из неё процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в нее же записываются полученные результаты. Английское название RAM – Random Access Memory – переводится как «память с произвольным доступом». Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи и чтения с любой ячейкой ОЗУ в произвольном порядке. После прекращения подачи питания вся информация, содержавшаяся в оперативной памяти, уничтожается. Поэтому проделанную работу необходимо сохранять в виде файлов на жестком диске ВС, либо других накопителях. Характеристика оперативной памяти – объём, измеряемый в мегабайтах (Мб). Выбирают размер оперативной памяти с учетом задач, которые будут решаться. САПР P-CAD 8.5 требует не менее 4 Мб, а фактически 8 – 12 Мб оперативной памяти. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения программ начальной загрузки компьютера и режимом его работы является считывание данных. ПЗУ – это энергонезависимая память. И при выключении питания содержимое ПЗУ сохраняется. Энергонезависимая память в основном применяется для хранения неизменяемой (или редко изменяемой) информации – системного программного обеспечения (BIOS), таблиц и т.д. Т.к. эта информация обычно является ключевой для функционирования ВС, то энергонезависимая память должна обладать такими важными параметрами как время хранения и устойчивость к электромагнитным воздействиям.

Структура оперативной памяти. Кэш-память или сверхоперативная память. Скорость обработки информации центральным процессором уже так высока, что современные устройства ОЗУ не справляются с функцией посредника между ЦП и внешней памятью. Поэтому было добавлено еще одно устройство кэш-память – служащее посредником между ОЗУ и ЦП. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память. Кэш память устроена так, что при попытке прочитать данные из ОЗУ сначала аппаратным образом проверяется, нет ли нужных данных в кэше. Если эти данные в кэше, они быстро извлекаются и используются процессором. Однако в противном случае эти данные считываются из ОЗУ, и в момент передачи процессору также помещаются в кэш (на случай, если они понадобятся позже). С точки зрения процессора всё это происходит прозрачно, так как единственное, что отличается между обращениями к данным в кэше или обращением к данным в ОЗУ — это время, необходимое для получения данных.

Система команд и методы адресации. Микропроцессор , как и всякий алгоритмический исполнитель , имеет определенную систему команд (СК). Количество , назначение , формат команд пользователь (программист) изменить не может , но он может применять эти команды в любом порядке , определяемом логикой решения задачи .Значительная часть команд из СК предназначена для обработки данных. Сюда относятся: сложение , вычитание , умножение , деление , пересылка данных , сдвиги двоичных кодов и многое другое. Данные , подлежащие обработке в той или иной конкретной команде , принято называть операндами. Операнды могут располагаться в различных местах , в частности , в одном из РОН , в сегменте данных оперативной памяти , в стеке и т. д. Обращение к ним может быть произведено весьма разнообразными способами. Это разнообразие и составляет суть методов адресации .Система команд и методы адресации - два тесно взаимосвязанных между собой понятия. С одной стороны , ни одной конкретной команды нельзя сформировать без использования того или иного метода адресации , с другой стороны , эти методы "не работают" вне конкретных команд.

Система команд и методы адресации. Перечислим название методов адресации и дадим их краткую характеристику: Регистровая адресация. Операнд или операнды располагаются в одном из РОН , либо (если речь идет о сегментной части адреса) в сегментном регистре. Это обеспечивает очень быстрый доступ к данным. Соответствующие команды , как правило , имеют короткий двоичный код. Однако количество РОН в процессоре невелико , их может не хватить для размещения всех переменных при решении сложной задачи . Непосредственная адресация. Операнд(ы) располагаются в самой команде , в ее последних байтах. Эти байты , как правило , находятся во внутренней очереди команд процессора , поэтому доступ к ним осуществляется также достаточно быстро. Прямая адресация. В составе команды находится не сам операнд , а его адрес. Это простейший способ обратиться к данным , находящимся в ОЗУ.

Система команд и методы адресации. Косвенно - регистровая адресация. В этом случае адрес операнда размещается в одном из регистров. Как правило , для этого используются регистры SI , DI , BX , BP. Содержимое регистра можно изменять (например , в цикле) , при этом одна и та же команда будет оперировать различными ячейками памяти. Базовая адресация. В этом случае адрес операнда (исполнительный адрес) получается как сумма содержимого регистров BX или BP и числовой константы , называемой смещением. Если использован регистр ВХ , то будет происходить обращение к сегменту данных в ОЗУ, а если регистр ВР - то к сегменту стека. Такой вид адресации можно , например , использовать для доступа к элементу некоего массива , номер которого заранее известен: регистр ВХ указывает на начало массива , а смещение представляет собой номер элемента. Индексная адресация. Манипулирует содержимым сегмента данных и во всех микропроцессорах фирмы Intel по существу аналогична базовой. Адрес операнда вычисляется как сумма содержимого регистров SI или DI и смещения. Базово - индексная адресация (а также - базово - индексная со смещением). Адрес операнда здесь образуется из суммы содержимого регистров ВХ (или ВР) , регистров SI (или DI) и необязательного смещения. Стековая адресация. Является разновидностью неявной. Операнд находится в стеке , на вершину которого указывает регистр SP.Неявная (или подразумеваемая) адресация используется , например , при обращении к отдельным флагам или регистру флагов в целом , а также в командах обработки строк (цепочек данных) типа MOVS , SCAS и т. п. Относительная адресация. В микропроцессорах фирмы Intel не применяется к командам обработки данных , а используется лишь в командах переходов , вызовов подпрограмм и управления циклами. Адрес перехода образуется как смещение относительно текущего содержимого счетчика команд.

Форматы команд и данных. Алгоритм, написанный пользователем программы, в конечном счете реализуется в виде машинных команд. Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага. В ходе команды для сведений о типе операции, адресной информации о нахождении обрабатываемых данных, а также для информации о месте хранения результатов выделяются определенные разряды (поля). Форматом команды называется заранее обговоренная структура полей в её кодах, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода. 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 v 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: Безадресны; Одноадресные; Двухадресные; Трехадресные.

Форматы команд и данных. Длина кода команды измеряется в машинных словах. Чтобы получить возможность работать с минимальным числом адресных полей, результат, к примеру, можно размещать по месту хранения одного из операндов. Либо предварительно размещают один или несколько операндов в специально выделенных регистрах процессора. Множество реализуемых машинных действий образует её систему команд. Система команд часто определяет области и эффективность применения ЭВМ. Состав и число команд должны быть ориентированы на стандартный набор операций, используемых пользователем для решения своих задач. По функциональному назначению в системе команд ЭВМ различают следующие группы: Команды передачи данных (обмен входами между регистрами процессора, процессора и оперативной памятью, процессора и периферийными установками). Команды обработки данных (команды сложения, умножения, сдвига, сравнения-) Команды передачи управления (команды безусловного и условного перехода) Команды дополнительные (типа RESET, TEST,-).

Форматы команд и данных. Группа команд передачи управления обеспечивает принудительное изменение порядка выполнениякоманд в программе.Оттранслированные команды записываются в соседние ячейки памяти в порядке их следования в программе. При естественном порядке выполнения команд в программе, адрес каждой следующей команды определяется по содержимому специального счетчика команд, который входит в состав процессора. Содержимое этого счетчика автоматически наращивается на 1 при выполнении очередной команды. При организации ветвления цикла или для перехода на подпрограмму в счетчик в счетчик команд принудительно записывается адрес перехода, указанный в ходе команды.Большинство алгоритмов может быть реализовано небольшим базовым набором команд. Вместе с тем система команд должна быть полной, т.е. содержать все команды, которые необходимы для интерпретации алгоритма в машинных кодах. ЭВМ общего назначения имеет универсальный набор команд и применяется в основном для решения тривиальных (стандартных) задач.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.

Форматы команд и данных. Исполнительным адресом операнда называется двоичный код номера ячейки памяти, по которому будет записан или считан оператором. 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. Способы адресации классифицируют: по наличию адресной информации в команде (явная и неявная адресация). по кратности обращения в оперативную память. по способу формирования адресов ячеек памяти. При явной адресации операнда в команде есть поле адреса этого операнда. При неявной v 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. По кратности обращения в оперативную память различают: непосредственную адресацию (direct addressing) прямую адресацию (immediate addressing) косвенную адресацию (indirect addressing)

Форматы команд и данных. Прямая адресация-При прямой адресации обращение за операндом производится по адресному коду в поле команды. При этом исполнительный адрес совпадает с адресом кода команды.

Форматы команд и данных. Косвенная адресация-При косвенной адресации код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится не сам операнд, а его адрес, называемый указателем.

Форматы команд и данных. Индексная адресация-Для работы программ с массивами, требующими однотипных операций над элементами массива, удобно использовать индексную адресацию.

Форматы команд и данных. Стековая адресация-Стековая память широко используется в современных ЭВМ. Хотя адрес обращения в стек отсутствует в команде, он формируется схемой управления:

Форматы команд и данных. 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 Относительная адресация-При относительной адресации применяется способ вычисления адреса путем суммирования кодов, составляющих адрес. А = Б + И + С А = Б + С А = И + С Непосредственная адресация-При непосредственной адресации Операнд располагается непосредственно в адресном поле команды.

Ос как средство управления ресурсами типовой ЭВМ. Операционная система, применяющая такие алгоритмы, становится средством управления всеми ресурсами компьютера. Это в конечном счете и определяет общий алгоритм работы вычислительной системы, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) представляет собой базовое понятие большинства современных ОС и часто кратко определяется как программа в стадии выполнения. Программа — это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс — это динамический объект, который возникает в операционной системе после того,как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Например, ОС может создать процесс в ответ на команду пользователя run prgl. exe, где prgl. exe — это имя файла, в котором хранится код программы.

Ос как средство управления ресурсами типовой ЭВМ. Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач: Планирование ресурса — то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс; Удовлетворение запросов на ресурсы; Отслеживание состояния и учет использования ресурса — то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена; Разрешение конфликтов между процессами. Таким образом, управление ресурсами составляет важную часть функций любой операционной системы, в особенности мультипрограммной. В отличие от функций расширенной машины большинство функций управления ресурсами выполняются операционной системой автоматически и прикладному программисту недоступны.