Реферат: Архитектура ЭВМ

/>/>/>/>/>/>/>/>ВВЕДЕНИЕ

Уровень архитектуры необходим каждому специалисту.Архитектура — это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующиепрограммное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов.На этом уровне не требуется знание схемных решений современной радиотехники имикроэлектроники. Последнее вообще выходит за пределы информатики, онотребуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.

Уровень архитектуры достаточно глубок, он включат вопросыуправления работой ЭВМ (программирования) на языке машинных команд(ассемблера). Такой способ управления гораздо сложнее, чем написание программна языках высокого уровня и, тем не менее, без представления о нем невозможнопонять реальную работу компьютера.

Наконец, в данной главе приведен краткий обзор внешнихустройств современных компьютеров — накопителей, устройств ввода и выводаинформации, — а также элементарное описание принципов их работы,профессиональные характеристики.

Объектом изучения являетсявычислительная техника.

Предметом исследования является архитектура ЭВМ.

Целью работы является изучение архитектуры ЭВМ.

Для достижения данной цели необходиморешить следующие задачи:

· определитьпонятие архитектура ЭВМ;

· изучить учебнуюлитературу по теме «Архитектура ЭВМ»;

· изучить развитиевнутренней структуры ЭВМ.

/>/>/>/>/>/>1. О ПОНЯТИИ «АРХИТЕКТУРА ЭВМ»

Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется вградостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоитиз районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом.

Для того чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц иплощадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, атакже определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяетоднозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстроотыскать его. Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носитбеспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательнопродумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактическичастью его архитектуры. Классическим примером может служить известная системавзаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Помимо чистопрактической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (чтообычно больше интересует приезжих). Но этот аспект понятия «архитектура» врядли переносим на вычислительную технику.

Используя аналогию с градостроительством, естественнопонимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, котораянеобходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, атакже структура связей между ними. Если заглянуть, например, в «Толковыйсловарь по вычислительным системам», мы прочтем там, что термин «архитектураЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимногосоединения основных логических узлов ЭВМ «архитектура»».

Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не являетсясамоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи ипринципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациямвычислительных машин. Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группахмоделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципыустройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могутсущественно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Яркимпримером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по отечественныманалогам — серии ДВК), семейство MSX-машин, которому принадлежит широкораспространенная YAMAHA, а такжезаполонившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.

Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятиюархитектуры. Важно отметить, что целью такой общности, в конечном счете, служитвполне понятное стремление: все машины одного семейства, независимо от их конкретногоустройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту жепрограмму. Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важныне все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-тоиспользоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ. Нижеприводится перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которыеотносятся к архитектуре:

• структура памяти ЭВМ;

• способы доступа к памяти и внешним устройствам;

• возможность изменения конфигурации компьютера;

• система команд;

• форматы данных;

• организация интерфейса.

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определениеархитектуры:

«Архитектура-это наиболее общие принципы построения ЭВМ,реализующие программное управление работой и взаимодействием основных еефункциональных узлов».

/>/>/>/>/>/>/>/>2. КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРАЭВМ II ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложилвыдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданиюпервой в мире ламповой ЭВМ ENIACв 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во времямногочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фонНейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили своипринципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье«Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительногоустройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняютактуальность и сегодня.

Ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числав десятичном виде. Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичнойсистемы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в нейарифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать инечисловые виды информации — текстовую, графическую, звуковую и другие, нодвоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любогосовременного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которойтрудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимойпрограммы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек наспециальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием:например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственнорасчет не мог продолжаться более нескольких минут — выходили из строя лампы).Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде наборанулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа.Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможностьЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатамивычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципылогического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, котораявоспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками поНейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство(АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память,устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке2.1. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации,пунктирные-управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

/>

Рисунок 2.1 — Архитектура ЭВМ, построеннойна принципах Фон Неймана

Устройство управления и арифметико-логическое устройство всовременных компьютерах объединены в один блок — процессор, являющийсяпреобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюдаотносятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнениеразличных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узловкомпьютера). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающееустройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативноезапоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютерработает непосредственно в данное время и внешние запоминающие устройства (ВЗУ)гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. НаОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается — определенныефункции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ(постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходитпоследовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес)очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая командапрограммы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ. Егоналичие также является одним из характерных признаков рассматриваемойархитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительныхустройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературеназвание «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительныхмашин на сегодняшний день — фон-неймановские машины. Исключение составляют лишьотдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которыхотсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной иимеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели(примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановскойархитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, воснове обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

/>/>/>/>/>/>/>/>3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИРАЗВИТИЕ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ЭВМ

В предыдущем разделе была описана классическая структура ЭВМ,соответствующая вычислительным машинам первого и второго поколений.Естественно, что в результате бурного развития технологии производства средстввычислительной техники такая структура не могла не претерпеть определенныхпрогрессивных изменений.

Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ былообусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительныеуспехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшениюразмеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки длясущественного роста быстродействия процессора. Возникло существенноепротиворечие между высокой скоростью обработки информации внутри машины имедленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащихмеханически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешнихустройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожиданииинформации «извнешнего мира», что существенно снижало бы эффективностьработы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция косвобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче ихспециальным электронным схемам управления работой внешних устройств.Такиесхемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода,периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин«контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств сталоважной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Контроллер можно рассматривать как специализированныйпроцессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства поспециальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственнуюсистему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках(дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать илизаписывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждойоперации заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть вдальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройствможет существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор принеобходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру.Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера безучастия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматьсясвоим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче дозавершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуреЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры, изображенной на рис. 3.1. Изрисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМиспользуется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трехчастей:

• шина данных, по которой передается информация;

• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адресадля экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, азатем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина вданный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами — этосвойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытаяархитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств длясвоего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемыхзадач.

На рис. 3.1 представлен новый по сравнению с рис. 2.1 видпамяти – видео — ОЗУ (видеопамять). Его появление связано с разработкой особогоустройства вывода — дисплея. Основной частью дисплея служит электронно-лучеваятрубка, которая отображает информацию примерно так же, как это происходит втелевизоре (к некоторым дешевым домашним моделям компьютеров простоподключается обычный телевизор). Очевидно, что дисплей, не имея механическидвижущихся частей, является «очень быстрым» устройством отображения информации.Поэтому для ЭВМ третьего и четвертого поколений он является неотъемлемой частью(хотя впервые дисплей был реализован на некоторых ЭВМ второго поколения,например, на «МИР-2» — очень интересной во многих отношениях отечественнойразработке).

/>

Рисунок 3.1 — Шинная архитектура ЭВМ

Для получения на экране мониторастабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять.Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллердисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит отхарактера информации (текстовая или графическая) и от числа цветов изображения.Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержатьсянепосредственно в контроллере дисплея (именно поэтому на рисунке 3.1 онапоказана пунктиром).

Остановимся еще на одной важной особенности структурысовременных ЭВМ. Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции,стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практикечаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот.Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ безучастия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Дляего реализации необходим специальный контроллер. Подчеркнем, что режим ПДП вмашинах первого и второго поколений не существовал. Поэтому встречающаясяиногда схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают вОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера ПДП всегда,сначала принимаются во внутренние регистры процессора и лишь затем в память.

При описании магистральной структуры мы упрощеннопредполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. С точкизрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем все же, что на практикетакая структура применяется только для ЭВМ с небольшим числом внешнихустройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМединственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работукомпьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколькодополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена спамятью, вторая — для связи с «быстрыми», а третья — с «медленными» внешнимиустройствами. Отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательнотребуется при наличии режима ПДП.

Завершая обсуждение особенностей внутренней структурысовременных ЭВМ, укажем несколько характерных тенденций в ее развитии.Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств,что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узламиЭВМ. Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимоцентрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры длявычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры),видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п.Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системыдостаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразунесколькими процессорами. В-третьих, наметившееся стремление иметьбыстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализаинформации, также может привести в ближайшиегоды к серьезномупересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.

Еще одной особенностью развития современных ЭВМ является всеускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все большееколичество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информациюсовместно.

Таким образом, внутренняя структура вычислительной техникипостоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться.

Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинствосуществующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит изодинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.

/>/>/>/>/>/>/>/>4. ОСНОВНОЙ ЦИКЛ РАБОТЫ ЭВМ

В данном разделе коротко рассмотрена последовательностьдействий при выполнении команды в ЭВМ. Можно утверждать, что рабочий цикл вобщем виде одинаков для всех фон-неймановских машин.

Важной составной частью фон-неймановской архитектуры являетсясчетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегдауказывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. Привключении питания или при нажатии на кнопку сброса в счетчик аппаратнозаносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всехустройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютераопределяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ — это непрерывноевыполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередьзагружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждаямашинная команда делится на ряд элементарных унифицированных составных частей,которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она можетбыть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации изодного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколькотактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше.Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще ненаходятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенныестандартные действия:

1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считываетсяочередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальныйрегистр УУ, который носит название регистра команд);

2) счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в немсодержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой целидостаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу,определяющуюся длиной команды);

3) считанная в регистр команд операция расшифровывается,извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова илинаступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработкупрограммы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешнихустройств, либо перезапуск машины.

Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг зашагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменитьпорядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчиккоманд занести требуемый адрес (именно так происходит условный или безусловныйпереход).

В компьютерах на базе микропроцессоров INTEL 80286 и более поздних моделей дляускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации(иногда применяется термин «опережающая выборка»). Идея состоит в том, чтонесколько внутренних устройств процессора работают параллельно: одно считываеткоманду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемыхоперандов и т.д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается, чтоследующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготовлена к исполнению. Отметим,что в случае нарушения естественного порядка выполнения команд в программе(например, при безусловном переходе) опережающая выборка оказывается напраснойи конвейер очищается. Следующая за переходом команда выполняется дольше, таккак, чтобы конвейер «заработал на полную мощность», необходимо егопредварительно заполнить. Иными словами, в конвейерной машине время выполненияпрограммы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от ихвзаимного расположения.

/>/>/>/>/>/>/>/>5. СИСТЕМА КОМАНД ЭВМ ИСПОСОБЫ ОБРАЩЕНИЯ К ДАННЫМ

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является системакоманд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком(«машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМобязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

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

2. Арифметические операции, которым фактически обязана своимназванием вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий всовременном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют впрограммах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычноотносятся сложение и вычитание (последнее, в конечном счете, чаще всего тем илииным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, тоони во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализироватьобрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, атакже известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к нимчасто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

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

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешнимиустройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальнымислужебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощьюкоманд переписи.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюдапрежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также командыобращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальныекоманды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен ктой или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой жегруппе 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 ичисло команд, анализирующих состояние управляющих битов и воздействующих наних. Здесь для примера можно назвать биты режима работы процессора и битыуправления механизмами прерываний от внешних устройств.

В последнее время все большую роль в наборе команд играюткоманды для преобразования из одного формата данных в другой (например, из8-битного в 16-битный и т.п.), которые заметно упрощают обработку данныхразного типа, но в принципе могут быть заменены последовательностью изнескольких более простых команд.

Рассматриваясистему команд, нельзя не упомянуть одвух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютерс 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 изсвоего набора команд, остальные же используются эпизодически (в одной из популярныхстатей это в шутку сформулировано в виде следующей наглядной аналогии: «20%населения выпивают 80% пива»). Таким образом, если существенно ограничить наборопераций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их,получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда заскорость придется платить необходимостью программной реализации «отброшенных»команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетовили машинной графики быстродействие существенно важнее проблемпрограммирования. Подробнее вопросы, связанные с системой команд современныхмикропроцессоров, будут рассмотрены ниже в этой главе.

Подводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команддовольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способыуказания адреса расположения информации в памяти претерпели значительноеизменение и заслуживают особого рассмотрения.

Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей — операционной иадресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции — КОП)указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная частьописывает, где используемая информация хранится. У нескольких немногочисленныхкоманд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например,в команде останова; операционная часть имеется, всегда.

Код операции можно представить себе как некоторый условныйномер в общем списке системы команд. В основном этот список построен всоответствии с определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегдаочевидны.

Адресная часть обладает значительно большим разнообразием иее следует рассмотреть подробнее.

Прежде всего отметим, что команды могут быть одно-, двух- итрехадресные в зависимости от числа участвующих в них операндов.

Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадреснуюсистему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их исумму поместить в адрес A3. Если для операции требовалось меньшее числоадресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписиуказывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и A3, а содержимоеА2 не имело никакого значения.

Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна виспользовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой.Действительно, длина команды складывается из длины трех адресов и кодаоперации. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек толькодля записи адресной части одной команды требуется 3*10 = 30 двоичных разрядов,что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресныемашины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записирезультата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре(сумматоре) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. Внекоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов.

Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресныхмашин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пустьнадо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ А1 и А2, а суммупоместить в ячейку с адресом A3. Для решения этой задачи одноадресной машинепотребуется 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 задачипотребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это не всегдатак. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения А5 =(А1 + А2)*АЗ/А4 и вы обнаружите, что потребуется три трехадресных команды ивсего пять одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то дажеэффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточныхрезультатов.

Ради полноты изложения следует сказать о возможностиреализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способорганизации памяти — стек. Понимание принципов устройства такой машиныпотребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресныеЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием тогофакта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторыхпрограммируемых микрокалькуляторов (например, типа «БЗ-21» и «БЗ-34» и имподобных).

До сих пор в описании структуры машинной команды мыпользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперьвопрос об адресации элементов ОЗУ более подробно и строго. Наиболее просто былаорганизована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельныхячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единоецелое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил названиеадреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательнымицелыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМиспользовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длинаравнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всехостальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второгопоколения состояла из 36 двоичных разрядов.

Очень часто программа предназначалась для обработки по одними тем же формулам определенного количества содержимого последовательнорасположенных ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получиливпоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотреныособые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью вмашинных командах помимо обычных адресов можно было использоватьмодифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу.К помеченным таким образом, модифицируемым адресам при выполнении командыприбавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимоеиндексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива.Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ вмомент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась безизменений.

Описанный механизм модификации адресов существенно упрощалнаписание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательныхячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п.

В ЭВМ третьего поколения идеология построения памятисущественно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установленаравной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатыватьнесколько 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 стандартноговещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах,кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номерячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относиться к отдельномубайту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит изнескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобнопринимать адрес одного из образующих его байтов (обычно используется младшийбайт, имеющий наименьший номер). Таким образом, адреса слов меняются уже нечерез единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах иравняется четырем.

Размер машинного слова был, по-видимому, выбран исходя изформатов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либоустройств. Для подтверждения этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМтретьего поколения из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели«ЕС-1022» имело 16 двоичных разрядов, «ЕС-1033» — 32 разряда, а «ЕС-1050» — 64разряда. 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) неявлялись каким-то технически выделенным объемом информации.

В машинах третьего поколения появились иеще несколькоособенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных,наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычислениеэффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получилодальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядностьмикропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрениеособенностейстроения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим доследующего раздела.

/>/>/>/>/>/>Заключение

Вначале работы была поставлена цель изучить архитектуру ЭВМ.В результате можно сделать ряд выводов.

Во-первых, определил понятие архитектуры ЭВМ. «Архитектура-этонаиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управлениеработой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

Во-вторых, изучил учебную литературу по теме «АрхитектураЭВМ».

В-третьих, изучил развитие внутренней структуры ЭВМ.Внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась, ибудет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющеебольшинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнемусостоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановскойархитектуры.

/>/>/>/>/>/>Список литературы

1. А.В. Могилёв, Н.И.Пак, Е.К. Хённер Информатика: — М., 1999; 816 с.

2. Частиков А.П. Журнал«Информатика и образование», 1996.

3. Гутер Р.С.,Полунов Ю.Л. От абака до компьютера. — М.: Знание, 1975.

4. Лин В. PDP-11 и VAX-11. Архитектура ЭВМ ипрограммирование на языке ассемблера. — М.: Радио и связь, 1989.

5. Смит Б.Э.,Джонсон М.Т. Архитектура и программирование процессора INTEL 80386. — М.: Конкорд. 1992.

6.  «Справочникнеобходимых знаний» / Кондрашов, Москва: 2000. — 608-613 с.