Структура та принципи побудови ЕОМ

План

1 Структура ЕОМ

2 Призначення основних пристроїв ЕОМ

3 Класифікація команд

1 Типова ЕОМ складається із процесора, пам'яті й пристроїв вводу-виводу (рис. 16.1). З часу появи перших електронних цифрових обчислювальних машин технологія виробництва кожної із цих трьох підсистем була значно вдосконалена. Істотно покращилися характеристики процесорів і пам'яті. Крім того, була знижена їхня вартість.

Незважаючи на успіхи, досягнуті в області технології, істотних змін у базовій структурі й принципах роботи обчислювальних машин не відбулося. Так, ще в 1946 р. була вперше запропонована ЕОМ із збереженою в пам'яті програмою. Використовувались два різних типи пам'яті: пам'ять чисел і пам'ять команд. Проте, якщо команди представлені машині у вигляді числового коду і якщо машина яким-небудь образом у стані відрізняти числа від команд, то блок пам'яті можна використати для зберігання й тих й інших.

І в цей час майже у всіх обчислювальних машинах для зберігання даних (чисел, текстів) і команд служить одна й та сама пам'ять. Це дозволяє підвищити ефективність використання досить дорогої пам'яті ЕОМ, тому що серед розв'язуваних нею завдань зустрічаються завдання з досить складною обробкою (багато команд) невеликого числа вихідних даних (наприклад, ряд наукових розрахунків) і завдання, зв'язані з переробкою по простих алгоритмах (мало команд) дуже великих обсягів даних (обробка перепису населення, розрахунок заробітної плати на великому підприємстві й т.п.).

	...

2 " Серцем" ЕОМ є процесор, до складу якого входять:

- пристрій керування вибіркою команд із пам'яті і їхнім виконанням;

- арифметико-логічний пристрій (АЛП), що виконує операції над даними;

- регістри, що здійснюють тимчасове зберігання даних і станів процесора;

- схеми для керування й зв'язку з підсистемами пам'яті й вводу-виводу.

Пристрої введення забезпечують зчитування інформації (первинних даних і програми рішення завдання) з певних носіїв інформації (клавіатури, дисків, датчиків станів керованих об'єктів і т.п.) і її подання у формі електричних сигналів, сприйманих іншими пристроями ЕОМ (процесором або пам'яттю).

Пристрої виводу представляють результати обробки інформації у формі, зручною для візуального сприйняття (індикатори, друкувальні пристрої, графобудівники, екран дисплея й т.п.). При необхідності вони забезпечують запам'ятовування результатів на носіях, з яких ці результати можуть бути знову уведені в ЕОМ для подальшої обробки, або передачу результатів на виконавчі органи керованого об'єкта (наприклад, робота).

Пам'ять ЕОМ включає пристрій, що забезпечує зберігання команд і даних. Цей пристрій складається із блоків однакового розміру - осередків пам'яті призначених для зберігання одного слова інформації (рис. 16.2, а). У свою чергу, осередок пам'яті складається з елементів пам'яті, стан кожного з яких відповідає одній двійковій цифрі (0 або 1). Сукупність нулів й одиниць, що зберігаються в елементах одного осередку, являє собою вміст цього осередку пам'яті.

Осередки нумеруються числами 0, 1, 2,..., що називаються адресою осередків. Якщо необхідно записати в пам’ять слово, варто подати на шину адреси пам'яті (рис. 16.2, б) сигнали, що відповідають адресі осередку, у яку треба помістити записуване слово, і подати саме слово на шину запису. Пам'ять улаштована так, що задане слово буде передано в осередок з зазначеною адресою й може зберігатися там як завгодно довго. У будь-який момент, звернувшись до пам'яті, можна одержати вміст збереженого там слова. Для цього на згадку посилає адреса, що визначає місце розташування необхідного слова, і вона видає по шині читання копію слова. При зчитуванні вміст осередку залишається без зміни, так що, один раз записавши слово, можна скільки завгодно раз одержувати його копії.

а б

На рис. 16.2, а показана пам'ять, що має 4096 = 2¹² 8-розрядних слів, тобто 4096 байт інформації. При тім же самому числі запам'ятовувальних елементів можна було б організувати пам'ять із 32 768 1-бітових слів, 2048 16-бітових слів, 1024 32-бітових слів і т.д.

3 Команда ЕОМ спочатку містила наступну інформацію (рис.16.3, а).

1. Код операції, який вказує операцію, що повинна виконати ЕОМ (додавання, вирахування, множення, порівняння, зміна знака й т.п.).

2. Адреси двох операндів - аргументів операції, наприклад, співмножників. Якщо який-небудь із операндів є константою, то замість його адреси в команді може бути задане саме значення операнда. Однак ця обставина повинна бути відбита в коді операції, щоб ЕОМ використала відповідну частину команди в якості операнда, а не адреси осередку пам'яті, у якій зберігається цей операнд.

3. Адреса осередку пам'яті, у яку повинен бути поміщений результат операції.

4. Адреса наступної команди.

Така команда, що складається з п'яти полів (код операції й чотири адреси), може бути реалізована процесорами найрізноманітніших структур.

Без ускладнення доступу до вмісту осередків пам'яті не можна одночасно одержувати з неї обидва операнди й, отже, перший операнд доводиться зберігати в процесорі до моменту одержання наступного операнда. Тому до складу процесора включений акумулятор, який може бути використаний для нагромадження - акумуляції операндів або результатів обчислень.

Потрібний і регістр для зберігання в процесорі команди (регістр команд), тому що під час її виконання повинна вибиратися різна інформація, використовувана пристроєм керування й пам'яттю.

Коротку чотириадресну команду варто цілком зберігати в 16-бітовому осередку пам'яті. Але така команда може адресувати лише 2³ = 8 осередків пам'яті. Сучасні ж мікро-ЕОМ адресуються до пам'яті, що містить не менш 2¹⁶ = 65536 осередків. Якщо створювати чотириадресну команду, що працює c пам'яттю подібних розмірів, то на кожне адресне поле команди прийде відвести 16 біт, а на всю команду (при 16-бітовому коді операції) - 80 біт. Однак ЕОМ, що працює з такими командами, уже не можна назвати мікро-ЕОМ, тому що вона буде містити дуже багато устаткування: 80-розрядні осередки пам'яті, 80-розрядні регістри, 80-розрядний АЛП, 80-розрядні вентильні схеми, шини шириною 80 і т.д. Отже, треба або чотириадресну команду зберігати в осередках пам'яті у вигляді окремих її полів, або зменшувати число адресних полів команди.

Тому велике поширення в мікро-ЕОМ одержали одноадресні й безадресні команди (рис. 16.3, б, в).

Якщо команди розміщати у пам’яті ЕОМ один за одним, то адреса наступної команди скоріш за все буде відрізнятися від адреси виконуваної команди лише на одиницю, а додавання одиниці до поточної адреси можна покласти на ЕОМ (лічильник команд). Це дозволяє скоротити довжину команди (вилучити адресу наступної команди), але приводить до необхідності використання спеціальних команд переходу. Зазвичай ці команди – одноадресні (рис. 16.3, б), де код операції містить перевіряєму умову, а адреса –адресу команди, до якої потрібно перейти, якщо умова виконується (при невиконанні умови вибирається команда, що розташована за командою переходу).

Безадресні команди (або команди з неявною адресацією) (рис. 16.3, в) адресуються до конкретних пристроїв (наприклад, до акумулятора або до пристрою керування), а не до осередків пам’яті. Вони дозволяють сформувати накази на обнуління акумулятора, додавання до його вмісту константи (+1 або –1), переведення ЕОМ до стану дозволу переривання виконуваної програми і т.п.

Домашнє завдання:

[5] с. 18-27