Основной цикл работы ЭВМ

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

Система команд ЭВМ и способы обращения к данным

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком (“машинном”) уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.
2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (последнее в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).
5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.
6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе 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 и число команд, воздействующих на них. Здесь для примера можно назвать биты режима работы процессора и биты управления механизмами прерываний от внешних устройств.

Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с 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 из своего набора команд, остальные же используются эпизодически (в одной из популярных статей это в шутку сформулировано в виде следующей наглядной аналогии: “20% населения выпивают 80% пива”). Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации “отброшенных” команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования. Подробнее вопросы, связанные с системой команд современных микропроцессоров, будут рассмотрены ниже в этой главе.

Подводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команд довольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения.

Основной цикл работы ЭВМ

Как уже отмечалось в п.2, важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

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

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);
2) счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно 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 или наступления прерывания (см. ниже в п. 3.5), все описанные действия циклически повторяются.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес (именно так происходит условный или безусловный переход).

В компьютерах на базе микропроцессоров INTEL 80286 и более поздних моделей для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации (иногда применяется термин “опережающая выборка”). Идея состоит в том, что несколько внутренних устройств процессора работают параллельно: одно считывает команду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается, что следующая 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 напрасной и конвейер очищается. Следующая за переходом команда выполняется дольше, так как, чтобы конвейер “заработал на полную мощность”, необходимо его предварительно заполнить. Иными словами, в конвейерной машине время выполнения программы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от их взаимного расположения.

Cпособы указания адреса расположения информации

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

Код операции можно представить себе как некоторый условный номер в общем списке системы команд. В основном этот список построен в соответствии с определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегда очевидны.

Адресная часть обладает значительно большим разнообразием и ее следует рассмотреть подробнее.

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

Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить в адрес A3. Если для операции требовалось меньшее число адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и A3, а содержимое А2 не имело никакого значения.

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

Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в ячейку с адресом A3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется 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 задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения А5 = (А1 + А2)*АЗ/А4 и вы обнаружите, что потребуется три трехадресных команды и всего пять одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов.

Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти -стек. Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов (например, типа “БЗ-21” и “БЗ-34” и им подобных).

До сих пор в описании структуры машинной команды мы пользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперь вопрос об адресации элементов ОЗУ более подробно и строго. Наиболее просто была организована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второго поколения состояла из 36 двоичных разрядов.

Очень часто программа предназначалась для обработки по одним и тем же формулам определенного количества содержимого последовательно расположенных ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получили впоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотрены особые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью в машинных командах помимо обычных адресов можно было использовать модифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу. К помеченным таким образом модифицируемым адресам при выполнении команды прибавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимое индексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива. Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ в момент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась без изменений.

Описанный механизм модификации адресов существенно упрощал написание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательных ячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п.

В ЭВМ третьего поколения идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатывать несколько 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 стандартного вещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах, кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номер ячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относится к отдельному байту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит из нескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобно принимать адрес одного из образующих его байтов (обычно используется младший байт, имеющий наименьший номер). Таким образом, адреса слов меняются уже не через единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах и равняется четырем.

Размер машинного слова был, по-видимому, выбран исходя из форматов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либо устройств. Для подтверждения этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМ третьего поколения из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели “ЕС-1022” имело 16 двоичных разрядов, “ЕС-1033” - 32 разряда, а “ЕС-1050” - 64 разряда. 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) не являлись каким-то технически выделенным объемом информации.

В машинах третьего поколения появились и еще несколько особенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрение особенностей строения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим до следующего раздела.

Работа над ENIAC была в самом разгаре, когда Герман Голдстейн встретился с американцем венгерского происхождения Джоном фон Нейманом, который был консультантом американской секретной программы по созданию атомной бомбы и занимался вопросом о том, как повысить счетные мощности для решения необходимых дифференциальных уравнений. В результате этой встречи Нейман, известный достижениями от разработки теории игр до вклада в создание ядерного оружия, начинает сотрудничать с рабочей группой ENIAC. Они вместе разрабатывают проект новой вычислительной машины, которая, во-первых, работает исключительно на электронных схемах, а во-вторых, программа вводится в нее не на бумажной ленте, а с помощью перфокарты, которая затем кодируется в виде пригодных для обработки символов и сохраняется в централизованной памяти. Даже сами изобретатели не сразу осознали ценность этого принципа, который не только позволяет вносить в программу изменения - эти изменения может вносить само вычислительное устройство.

Во время работы над EDVAC в 1945 г. между его разработчиками произошел крупный конфликт. Дело в том, что EDVAC стал базой для третьей масштабной теоретической работы по вычислительной технике (первая, описание “аналитической машины», принадлежала Чарльзу Бэббиджу, вторая - Алану Тьюрингу). Но ни Мочли, ни Эккерт не смогли обобщить свои знания и абстрагироваться от радиоламп и электронных схем. Может быть, они пренебрегали этим по соображениям секретности, может быть, физики не снизошли до строгого математического изложения. Фон Нейман же написал “Предварительный доклад о машине EDVAC », в котором детально изложил логическую организацию и общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Доклад был разослан многим ученным из разных стран и получил широкую известность (поэтому конструкторам ENIAC не удалось впоследствии запатентовать свой проект).

Фон Нейман был широко известен как выдающийся математик, и научная общественность приписала ему все идеи, лежащие в основе этой машины. В обиход вошло выражение “машина фон Неймана» (т.е. компьютер). Нейман нашел путь подключения рабочей программы не проводами или другими соединениями, а интегрированием ее в память машины в закодированном виде. Именно Нейман и придумал схему, которой до сих пор следуют все цифровые компьютеры. В общем виде схема представлена на рисунке. Сплошные стрелки -- это управляющие связи (по ним идут сигналы управления), а пунктирные стрелки -- это информационные связи (по ним идут данные, информация). К устройствам ввода/вывода относятся клавиатура, мышь, монитор, дисковод, CD ROM, принтер, сканер, микрофон, звуковые колонки, плоттер и т.д.

Компьютер должен иметь:

· арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции. В наше время это устройство называется центральный процессор. Центральный процессор (central processing unit) - микропроцессор компьютера, представляющий собой микросхему, которая управляет всеми процессами, происходящими в компьютере;
· устройство управления, которое организует процесс выполнения программ. В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор;
· запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных;
· внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера представляет собой некоторое количество пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

Принцип работы:

· С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.
· Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:
- o выполнение логических или арифметических операций;
- o чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
- o запись результатов в память;
- o ввод данных из внешнего устройства в память;
- o вывод данных из памяти на внешнее устройство.
· Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.
· Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.
· Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Один из принципов "Архитектуры фон Неймана" гласит: в компьютере не придется изменять подключения проводов, если все инструкции будут храниться в его памяти. И как только эту идею в рамках “архитектуры фон Неймана» воплотили на практике, родился современный компьютер.

Как всякая техника, компьютеры развивались в сторону увеличения функциональности, целесообразности и красоты. Есть вообще утверждение, претендующее на закон: совершенный прибор не может быть безобразным по внешнему виду и наоборот, красивая техника не бывает плохой. Компьютер становится не только полезным, но и украшающим помещение прибором. Внешний вид современного компьютера, конечно, соотносится со схемой фон Неймана, но в то же время и разнится с ней.

Благодаря фирме IBM идеи фон Неймана реализовались в виде широко распространенного в наше время принципа открытой архитектуры системных блоков компьютеров. Согласно этого принципа компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоящим из независимо изготовленных частей, причем методы сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмы-производителя, а доступны всем желающим. Таким образом, системные блоки можно собирать по принципу детского конструктора, то есть менять детали на другие, более мощные и современные, модернизируя свой компьютер (апгрейд, upgrade -- "повышать уровень"). Новые детали полностью взаимозаменяемы со старыми. «Открыто архитектурными» персональные компьютеры делает также системная шина, это некая виртуальная общая дорога или жила, или канал, в который выходят все выводы ото всех узлов и деталей системного блока. Надо сказать, что большие компьютеры (не персональные) не обладают свойством открытости, в них нельзя просто так что-то заменить другим, более совершенным, например, в самых современных компьютерах могут отсутствовать даже соединительные провода между элементами компьютерной системы: мышью, клавиатурой ("keyboard"- "клавишная доска") и системным блоком. Они могут общаться между собой при помощи инфракрасного излучения, для этого в системном блоке есть специальное окошко приема инфракрасных сигналов (по типу пульта дистанционного управления телевизора).

В настоящее время обычный персональный компьютер представляет собой комплекс, состоящий из:

· основной электронной платы (системной, материнской), на которой размещены те блоки, которые осуществляют обработку информации вычисления;
· схем, управляющих другими устройствами компьютера, вставляемых в стандартные разъемы на системной плате - слоты;
· дисков хранения информации;
· блока питания, от которого подводится электропитание ко всем электронным схемам;
· корпуса (системный блок), в котором все внутренние устройства компьютера устанавливаются на общей раме;
· клавиатуры;
· монитора;
· других внешних устройств.

Архитектура фон Неймановского типа (по имени математика Джона фон Неймана) наиболее широко используется в цифровых вычислительных машинах и лежит в основе почти всех видов архитектуры микропроцессоров. Архитектура фон Неймана определяет тип взаимодействия между управлением и памятью. Управляющая часть работает на основе последовательности команд, называемой программой, которая хранится в памяти. Каждая команда состоит из двух частей: оператора и операнда. Оператор указывает, какую именно операцию должен выполнить процессор (арифметическую, логическую или операцию управления), а операнд данные или адрес в памяти, над которым должна быть выполнена операция.

архитектура нейман программа двоичный

Джон фон Нейман

Работа вычислительной машины фон Неймана заключается в выполнении последовательности команд, которые соответствуют операциям, подлежащим выполнению системой. Поскольку блок управления и память активно взаимодействуют между собой, предусматриваются специальные аппаратные средства, которые позволяют ускорить процесс пересылки данных и команд. К этим средствам относятся: регистр команд, счетчик команд, накопитель, арифметическо-логическое устройство (АЛУ).

Регистр команд, счетчик команд и накопитель явля ются основными элементами одного из блоков вычислительной машины - “памяти”. Это регистры или ячейки памяти, емкость которых в двоичных разрядах равна длине машинного слова. Регистр команд хранит ту команду, которую компьютер должен выполнить вслед за текущей, а адрес последующей команды хранится в счетчике команд. Накопитель хранит данные для обработки или принимает данные после нее.

Арифметическо-логическое устройство выполняет заданные арифметические или логические операции над указанными в команде данными.

Эти аппаратные средства соединяются друг с другом посредством одной или нескольких шин. Шина - это электрическое соединение между несколькими точками, которые могут быть источниками или приемниками сигналов (ее можно сравнить с транспортным средством, которое принимает и высаживает пассажиров). Длина слова микро-микрокомпьютера обычно составляет 4, 8, 16 бит и т. д.

Шина соединяет регистры и АЛУ с памятью и устройствами ввода - вывода. В архитектуре с одной шиной каждое устройство, подключенное к шине, пользуется ею вместе с другими устройствами, и поэтому ему выделяется определенный интервал времени для передачи информации по шине другому устройству или для принятия информации от него. Это временное мультиплексирование шины осуществляется аппаратной схемой управления шиной и синхронизируется блоком управления вычислительной машины.

Блок управления выполняет основные функции контроля и синхронизации всех других блоков вычислительной машины. Вычислительные системы обычно представляют собой последовательностные цифровые схемы, которые синхронизируются посредством стандартного тактового сигнала, передаваемого по всей системе.

Каждый элемент вычислительной машины разрабатывается таким образом, что он совершает последовательность каких-то действий после заданного числа тактовых импульсов. Регистр команд передает следующую команду на дешифратор команд, который интерпретирует поступающий набор разрядов и выдает соответствующие приказы как на блок управления машинным циклом, так и на АЛУ. Блок управления машинным циклом декодирует эти приказы, выдавая в память и на управляющие выходы соответствующие сигналы. Таким образом, работа других компонентов системы может быть синхронизирована с работой АЛУ. Память (это может быть оперативная память с произвольной выборкой или внутренний машинный регистр) должна также получить указания о том, какие данные нужны для обработки.

Архитектура ПК. Основные принципы работы ЭВМ.

Компьютером называется электронное устройство, способное автоматически выполнять заданную программой последовательность действий по приему, хранения, преобразованию и выдаче информации.

Под архитектурой вычислительной системы понимают наиболее общие принципы ее построения, принципы действия, взаимные соединения и взаимодействие основных функциональных узлов, организацию памяти и систему команд. Вопросы организации памяти и системы команд в курсе информатики не рассматриваются.

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Джона фон Неймана, Г. Голдстейга и А. Беркса в 1964г и известны как «принципы фон Неймана»

Эти принципы следующие:

- Двоичное кодирование всей используемой информации: любые данные в компьютере (числа, текст, звук, картинки) представляются как последовательность нулей и единиц.
- Произвольный доступ к ячейкам оперативной памяти: компьютер должен иметь специальное устройство - оперативную память - где хранятся работающие программы и обрабатываемые данные; память разделена на ячейки, каждая ячейка имеет адрес (номер), по этому адресу можно в любой момент прочитать информацию из ячейки либо записать туда информацию
- Принцип хранимой программы: Параграмма должна храниться в памяти компьютера в двоичном виде; также как и данные. Этот принцип сейчас кажется абсолютно очевидным, но в первых ЭВМ он не использовался. Чтобы задать порядок выполнения операций, надо было соединить элементы логических схем компьютера в определенном порядке с помощью установки проводов-перемычек. Использования принципа хранимой программы позволило значительно повысить эффективность использование компьютеров
- Принцип последовательного выполнения операций: Программа состоит из последовательности команд. Каждая команда хранится в одной (или нескольких) ячейках памяти в двоичном виде. Компьютер начинает выполнять программу, т.е. выбирает значение, хранящееся в определенной ячейке памяти, и выполняет соответствующую этому значению команду. Затем компьютер выполняет команду, хранящуюся в следующей ячейки памяти, и так продолжается до тех пор, пока в одной из ячеек не встретится команда остановки или перехода какой-то другой ячейке памяти.

В составе любого компьютера можно выделить следующие функциональные блоки:

- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все операции по преобразованию данных. На самом деле любые преобразования раскладываются на элементарные действия, для реализации которых достаточно арифметических (сложение, вычитание, умножение, деление) и логических (И, ИЛИ, НЕ) операций.
- Устройство управления (УУ) - управляет всеми устройствами компьютера. АЛУ и УУ в совокупности составляют центральный процессор ЦП.
- Оперативная память - хранит программу и данные. Память состоит из отдельных ячеек; обычно одна ячейка памяти может хранить один байт. Каждая ячейка имеет номер (адрес), по которому можно «обратиться» к ней для записи и чтения данных.
- Устройства ввода - принимают информацию от пользователя (или от каких-то внешних устройств - датчиков, антенн и т.д.) и преобразуют ее форму, удобную для обработки на компьютере.
- Устройства вывода - преобразуют хранящуюся и обрабатываемую на компьютере информацию в формы, удобные для восприятия человеком.

Первые ЭВМ строились в соответствии с фон-Неймановской структурой, которую можно представить следующим образом: (толстыми линиями обозначены информационные связи, тонкими - управляющие сигналы)

Как видно по схеме, устройство управления связано с каждым из устройств отдельным каналом, по которому передаются управляющие сигналы. Каждое из внешних устройств связано отдельным каналом информационного обмена с АЛУ. Из АЛУ данные уже могут записываться в память; а также данные могут читаться из памяти в АЛУ.

Такая структура, когда для связи с каждым устройством используется отдельный канал, делала сложным изменение конфигурации ЭВМ, в частности, подключение новых внешних устройств.

Современные ПК построены по магистрально - модульному принципу. Это означает, что все кстройства подключены к единой магистрали (набору кабелей). Причем подключение всех устройств осуществляется с помощью стандартных разъемов, а параметры электрических сигналов, которые используют устройства для управления и обмена данными, также стандартизованы. Т.е. все устройства «общаются по одним и тем же правилам». Это дает возможность пользователю изменять комплектность ПК путем замены, удаления или добавления блоков-модулей.

Структуру ПК можно представить следующим образом:

Здесь ЦП - центральный процессор; включает в себя устройство управления и арифметико-логическое устройство. ЦП управляет работой всех устройств компьютера и выполняет все операции по обработки данных.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (оперативная память); хранит программу и данные, обрабатываемые в текущий момент времени. При выключении питания содержимое ОЗУ теряется.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; хранит программы, которые выполняются при начальной загрузке (включении) компьютера, а так же некоторых других важные программы. Информация в ПЗУ сохраняется при выключении питания. Первые ПЗУ действительно были «постоянными», т.е. записать в них информацию можно было только один раз. Современные ПЗУ являются перепрограммируемыми, поэтому хранящуюся в них информацию можно обновлять.

ВУ - внешние устройства, среди которых выделяют:

o устройства ввода (например, клавиатура);
o устройства вывода (например, принтер)
o устройства обмена данными (например, модем)
o устройства чтения/записи и хранения информации (например, дисководы и флэшки)

С точки зрения архитектуры ПК, жесткий диск (винчестер) также является внешним устройством. Но он играет такую важную роль, что на схеме выделен отдельно. На винчестере хранятся программы (в первую очередь операционная система) и данные.

Каждое внешнее устройство управляется контроллером - специальным устройством управления. Контроллер является «посредником» между быстро работающим ЦП и медленно работающим ВУ. Например, получив команду от процессора на распечатку текста, контроллер переводит ее в последовательность элементарных команд, которые должен выполнить принтер: подать бумагу, нагреть тонер, электризовать барабан, распылить краску, прижать бумагу и т.д. Процессор в это время может решать другие задачи. Таким образом, использование контроллеров повышает производительность компьютера.

Кроме того, для управления внешними устройствами необходимы специальные программы - драйверы.

Современные ПК построены по принципу «открытой архитектуры». Это значит, что стандарты на разъемы, параметры сигналов и правила обмена модулей друг с другом являются открытыми, и любая фирма может производить оборудование в соответствии с этими стандартами. Это обеспечивает большое разнообразие внешних устройств и отдельных модулей ПК, но все они совместимы друг с другом.

Александр Савватеев

Общие сведения

Вычислительная машина М-3 разработана под руководством И. С. Брука. Она относится к классу малых универсальных машин.

Машина выполняет действия над 31-разрядными числами с фиксированной запятой со скоростью 30 двухадресных операций в секунду. Оперативная память реализована на магнитном барабане и имеет емкость 2048 чисел. В случае подключения к ЭВМ памяти на магнитных сердечниках быстродействие возрастает до 1500 операций в секунду.

Устройств внешней памяти М-3 не имеет.

Для ввода-вывода информации используются перфолента и телетайп.

Машина имеет 770 электронных ламп и 3000 полупроводниковых диодов, потребляет 10 кВт электроэнергии. Для ее размещения достаточно 30-40 м 2 .

Память и структура информации

Оперативная память ЭВМ М-3 имеет объем 2048 31-разрядных чисел или команд. Все ячейки памяти равноправны между собой. Для обращения к ячейкам памяти используются 11-разрядные адреса. Разряды ячеек памяти нумеруются слева направо; старший (самый левый) разряд имеет номер 0.

Двоичные числа с фиксированной точкой содержат в нулевом разряде знак числа, а остальные 30 разрядов занимает абсолютная величина числа. Таким образом, М-3 использует прямой, а не дополнительный код для представления отрицательных чисел. Принято считать, что целая часть числа равна нулю, а разряды 1-30 содержат дробную его часть.

Десятичные числа также имеют нулевую целую часть. Их знак размещается в нулевом разряде, а в разрядах 1-28 расположены семь тетрад, кодирующих десятичные цифры дробной части числа. Разряды 29-30 не используются.

Ввод-вывод информации

Для ввода программы в память ЭВМ используется перфолента. Для каждой ячейки на перфоленте наносится ее адрес, признак конца адреса, значение этой ячейки и признак конца значения. В конце программы пробивается специальный признак. Ввод программы осуществляется при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления ЭВМ.

Для ввода данных также используется перфолента, но на ней набивается сплошной массив десятичных чисел без каких-либо дополнительных кодов. Их ввод обеспечивается программой с помощью специальной команды.

Вывод информации осуществляется на печатающее устройство типа телетайпа.

Система команд

ЭВМ М-3 относится к двухадресным машинам. Каждая команда занимает одну ячейку памяти. Разряд кода команды 0 не используется, разряды 1-6 содержат код операции, разряды 7-18 - адрес первого операнда, разряды 19-30 - адрес второго операнда и результата.

Арифметическое устройство ЭВМ М-3 имеет сумматор, в который заносится результат последней выполненной операции. Содержимое сумматора может быть использовано при выполнении следующей операции.

При получении отрицательного результата, в том числе отрицательного нуля, формируется признак w =1. При получении положительного результата признак w =0.

Все команды можно разделить на две группы: арифметико-логические и команды управления.

Код арифметико-логической команды имеет вид xy , где x - модификатор операции (одна восьмеричная цифра); y - код операции (вторая восьмеричная цифра). Возможные значения кодов и модификаторов арифметико-логических операций приведены в нижеследующих табл. 1-2.

Таблица 1

Таблица 2

В табл. 1 a и b означают ячейки памяти, заданные первым и вторым адресом в коде команды соответственно; r - регистр-сумматор.

Команды управления не имеют модификаций, поэтому их код всегда занимает две восьмеричные цифры. Список команд управления приведен в табл. 3.

Таблица 3

Код операции	Название команды	Действия, выполняемые по команде
07 27	Ввод числа с перфоленты	Одно число с перфоленты вводится в ячейку b . В сумматор оно не заносится. Адрес ячейки a равен нулю
05 15	Перенос числа	Число из ячейки a переносится в ячейку b
45 55	Перенос числа и печать	Число из ячейки a переносится в ячейку b и одновременно печатается на телетайпе
24	Безусловный переход по первому адресу	a b
64	Безусловный переход по первому адресу и печать	Происходит передача управления на ячейку с адресом a и одновременно содержимое сумматора записывается в ячейку с адресом b и печатается на телетайпе
74	Безусловный переход по второму адресу	Управление передается команде с адресом b . Адрес a в коде команды равен нулю. Знаковый разряд сумматора очищается, т. е. в сумматоре остается абсолютная величина его первоначального значения
34	Условный переход	Если w =1, происходит передача управления на ячейку с адресом a , а если w =0 - на ячейку с адресом b
37	Останов	Машина останавливается. На пульт управления выдается a . Содержимое сумматора не изменяется. Поле адреса b в коде команды равно нулю

2.8 Типы и форматы команд

Несмотря на различие в системах команд разных ЭВМ, некоторые основные типы операций могут быть найдены в любой из них. Для описания этих типов примем следующую классификацию:

команды пересылки данных;
команды арифметической и логической обработки;
команды работы со строками;
команды SIMD;
команды преобразования;
команды ввода/вывода;
команды управления потоком команд.

2.8.1 Команды пересылки данных

Это наиболее распространенный тип машинных команд. В таких командах должна содержаться следующая информация:

адреса источника и получателя операндов – адреса ячеек памяти, номера регистров процессора или информация о том, что операнды расположены в стеке;
длина подлежащих пересылке данных (обычно в байтах или словах), заданная явно или косвенно;
способ адресации каждого из операндов, с помощью которого содержимое адресной части команды может быть пересчитано в физический адрес операнда.

Рассматриваемая группа команд обеспечивает передачу информации между процессором и ОП, внутри процессора и между ячейками памяти. Пересылочные операции внутри процессора имеют тип «регистр-регистр». Передачи между процессором и памятью относятся к типу «регистр-память», а пересылки в памяти - к типу «память-память».
^

2.8.2 Команды арифметической и логической обработки

В данную группу входят команды, обеспечивающие арифметическую и логическую обработку информации в различных формах ее представления. Для каждой формы представления чисел в АСК обычно предусматривается некий стандартный набор операций.

Помимо вычисления результата выполнение арифметических и логических операций сопровождается формированием в АЛУ признаков (флагов), характеризующих этот результат. Наиболее часто фиксируются такие признаки, как:

Z (Zero) - нулевой результат;
N (Negative) - отрицательный результат;
V (oVerflow) - переполнение разрядной сетки;
С (Carry) - наличие переноса.

К стандартному набору операций над целыми числами, представленными в форме с фиксированной запятой, следует отнести:

двухместные арифметические операции (операции с двумя операндами): сложение, вычитание, умножение и деление;
одноместные арифметические операции (операции с одним операндом): вычисление абсолютного значения (модуля) операнда, изменение знака операнда;
операции сравнения, обеспечивающие сравнение двух целых чисел и выработку признаков, характеризующих соотношение между сопоставляемыми величинами (=, <>, >, <, <=, >=).

Часто этот перечень дополняют такими операциями, как вычисление остатка от целочисленного деления, сложение с учетом переноса, вычитание с учетом заема, увеличение значения операнда на единицу (инкремент ), уменьшение значения операнда на единицу (декремент ).

Отметим, что выполнение арифметических команд может дополнительно сопровождаться перемещением данных из устройства ввода в АЛУ или из АЛУ на устройство вывода.

Для работы с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в АСК большинства машин предусмотрены:

основные арифметические операции;
операции сравнения, обеспечивающие сравнение двух вещественных чисел с выработкой признаков;
операции преобразования: формы представления (между фиксированной и плавающей запятой), формата представления (с одинарной и двойной точностью).

Стандартная система команд ЭВМ содержит команды для выполнения различных логических операций над отдельными битами слов или других адресуемых единиц. Такие команды предназначены для обработки символьных и логических данных. Минимальный набор поддерживаемых логических операций - это «НЕ», «И», «ИЛИ» и сложение по модулю 2.

В дополнение к побитовым логическим операциям, практически во всех АСК предусмотрены команды для реализации операций логического, арифметического и циклического сдвигов.

При логическом сдвиге влево или вправо сдвигаются все разряды слова. Биты, вышедшие за пределы разрядной сетки, теряются, а освободившиеся позиции заполняются нулями.

При арифметическом сдвиге данные трактуются как целые числа со знаком, причем бит знака не изменяет положения. При сдвиге вправо освободившиеся позиции заполняются значением знакового разряда, а при сдвиге влево - нулями. Арифметические сдвиги позволяют ускорить выполнение некоторых арифметических операций. Так, если числа представлены двоичным дополнительным кодом, то сдвиги влево и вправо эквивалентны соответственно умножению и делению на 2.

При циклическом сдвиге смещаются все разряды слова, причем значение разряда, выходящего за пределы слова, заносится в позицию, освободившуюся с противоположной стороны, то есть потери информации не происходит. Одно из возможных применений циклических сдвигов – это перемещение интересующего бита в крайнюю левую (знаковую) позицию, где он может быть проанализирован как знак числа.

Для работы со строками в АСК обычно предусматриваются команды, обеспечивающие перемещение, сравнение и поиск строк. В большинстве машин перечисленные операции просто имитируются за счет других команд.

^ Команды преобразования осуществляют изменение формата представления данных. Примером может служить преобразование из десятичной системы счисления в двоичную или перевод 8-разрядного кода символа из кодировки ASCII в кодировку EBCDIC, и наоборот.

2.8.3 SIMD-команды

Название данного типа команд представляет собой аббревиатуру от Single Instruction Multiple Data - буквально «одна инструкция - много данных». В отличие от обычных команд, оперирующих двумя числами, SIMD-команды обрабатывают сразу две группы чисел (в принципе их можно называть групповыми командами). Операнды таких команд обычно представлены в одном из упакованных форматов.

Идея SIMD-обработки была выдвинута в Институте точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева в 1978 году в рамках проекта «Эльбрус-1». С 1992 года команды типа SIMD становятся неотъемлемым элементом АСК микропроцессоров фирм Intel и AMD, Поводом послужило широкое распространение мультимедийных приложений. Видео, трехмерная графика и звук в ЭВМ представляются большими массивами данных, элементы которых чаше всего обрабатываются идентично. Так, при сжатии видео и преобразовании его в формат MPEG один и тот же алгоритм применяется к тысячам битов данных. В трехмерной графике часто встречаются операции, которые можно выполнить за один такт: интерполирование и нормировка векторов, вычисление скалярного произведения векторов, интерполяция компонентов цвета и т. д. Включение SIMD-команд в АСК позволяет существенно ускорить подобные вычисления.

Первой на мультимедийный бум отреагировала фирма Intel, добавив в систему команд своего микропроцессора Pentium ММХ 57 SIMD-команд. Название МMX (MultiMedia eXtention – мультимедийное расширение) разработчики обосновывали тем, что при выборе состава новых команд были проанализированы алгоритмы, применяемые в различных мультимедийных приложениях. Команды ММХ обеспечивали параллельную обработку упакованных целых чисел. При выполнении арифметических операций каждое из чисел, входящих в группу, рассматривается как самостоятельное, без связи с соседними числами. Учитывая специфику обрабатываемой информации, команды ММХ реализуют так называемую арифметику с насыщением: если в результате сложения образуется число, выходящее за пределы отведенных под него позиций, оно заменяется наибольшим двоичным числом, которое в эти позиции вмещается.

Следующим шагом стало создание новых наборов SIMD-команд, работающих также с операндами, представленными в виде упакованных чисел с плавающей запятой. Такие команды в соответствующих приложениях повышают производительность процессора примерно вдвое. Первой подобную технологию в середине 1998 года предложила фирма AMD. Это мультимедийное расширение включало в себя 21 SIMD-команду и получило название 3DNow!. Расширение 3DNow! в дополнение к SIMD-обработке целочисленной информации типа ММХ позволяло оперировать парой упакованных чисел в формате с плавающей запятой.

Полугодом позже фирма Intel ввела в свои микропроцессоры так называемые потоковые SIMD-команды, обозначив их аббревиатурой SSE - Streaming SIMD Extension (потоковая обработка по принципу «одна команда - много данных»). Сначала это были 70 команд в микропроцессоре Pentium III. Команды дополняли групповые целочисленные операции МMX и расширяли их за счет групповых операций с 32-разрядными вещественными числами.
^

2.8.4 Команды ввода/вывода

Команды этой группы могут быть подразделены на команды управления периферийным устройством (ПУ), проверки его состояния, ввода и вывода.

Команды управления периферийным устройством служат для запуска ПУ и указания ему требуемого действия. Трактовка подобных инструкций зависит от типа ПУ.

Команды проверки состояния ввода/вывода применяются для тестирования различных признаков, характеризующих состояние модуля ввода/вывода и подключенных к нему ПУ. Благодаря этим командам центральный процессор может выяснить, включено ли питание ПУ, завершена ли предыдущая операция ввода/вывода, возникли ли в процессе ввода/вывода какие-либо ошибки и т. п.

Собственно обмен информацией с ПУ обеспечивают команды ввода и вывода. Команды ввода предписывают модулю ввода/вывода получить элемент данных (байт или слово) от ПУ и поместить его на шину данных, а команды вывода - заставляют модуль ввода/вывода принять элемент данных с шины данных и переслать его на ПУ.
^

2.8.5 Команды управления системой

Команды, входящие в эту группу, являются привилегированными и могут выполняться, только когда центральный процессор ЭВМ находится в привилегированном состоянии или выполняет программу, находящуюся в привилегированной области памяти (обычно привилегированный режим используется лишь операционной системой). Так, лишь эти команды способны считывать и изменять состояние ряда регистров устройства управления.
^

2.8.6 Команды управления потоком команд

Концепция фон-неймановской вычислительной машины предполагает, что команды программы, как правило, выполняются в порядке их расположения в памяти. Для получения адреса очередной команды достаточно увеличить содержимое счетчика команд на длину текущей команды. В то же время основные преимущества ЭВМ заключаются именно в возможности изменения хода вычислении в зависимости от возникающих в процессе счета результатов. С этой целью в АСК вычислительной машины включаются команды, позволяющие нарушить естественный порядок следования и передать управление в иную точку программы. В адресной части таких команд содержится адрес точки перехода (адрес той команды, которая должна быть выполнена следующей). Переход реализуется путем загрузки адреса точки перехода в счетчик команд (вместо увеличения содержимого этого счетчика на длину команды).

В системе команд ЭВМ можно выделить три типа команд, способных изменить последовательность вычислений:

безусловные переходы;
условные переходы (ветвления);
вызовы процедур и возвраты из процедур.

Несмотря на то что присутствие в программе большого числа команд безусловного перехода считается признаком плохого стиля программирования, такие команды обязательно входят в АСК любой ЭВМ. Для их обозначения в языке ассемблера обычно используется английское слово jump (прыжок). Команда безусловного перехода обеспечивает переход по заданному адресу без проверки каких-либо условий.

^ Условный переход происходит только при соблюдении определенного условия, в противном случае выполняется следующая по порядку команда программы. Большинство производителей ЭВМ в своих ассемблерах обозначают подобные команды словом branch (ветвление). Условием, на основании которого осуществляется переход, чаще всего выступают признаки результата предшествующей арифметической или логической операции. Каждый из признаков фиксируется в своем разряде регистра флагов процессора. Возможен и иной подход, когда решение о переходе принимается в зависимости от состояния одного из регистров общего назначения, куда предварительно помещается результат операции сравнения. Третий вариант - это объединение операций сравнения и перехода в одной команде.

В системе команд ЭВМ для каждого признака результата предусматривается своя команда ветвления (иногда - две: переход при наличии признака и переход при его отсутствии). Большая часть условных переходов связана с проверкой взаимного соотношения двух величин или с равенством (неравенством) некоторой величины нулю. Последний вид проверок используется в программах наиболее интенсивно.

Процедурный механизм базируется на командах вызова процедуры, обеспечивающих переход из текущей точки программы к начальной команде процедуры, и командах возврата из процедуры, для возврата в точку, непосредственно расположенную за командой вызова. Такой режим предполагает наличие средств для сохранения текущего состояния содержимого счетчика команд в момент вызова (запоминание адреса точки возврата) и его восстановления при выходе из процедуры,
^

2.8.7 Форматы команд

Типовая команда, в общем случае, должка указывать:

подлежащую выполнению операцию;
адреса исходных данных (операндов), над которыми выполняется операция;
адрес, по которому должен быть помещен результат операции.

В соответствии с этим команда состоит из двух частей: операционной и адресной, как показано на рисунке 2.24.

Рисунок 2.24 – Структура машинной команды
Формат команды определяет ее структуру, то есть количество двоичных разрядов, отводимых под всю команду, а также количество н расположение отдельных полей команды. Полем называется совокупность двоичных разрядов, кодирующих составную часть команды. При разработке АСК выбор формата команды влияет на многие характеристики будущей машины. Оценивая возможные форматы, нужно учитывать следующие факторы:

общее число различных команд;
общую длину команды;
тип полей команды (фиксированной или переменной длины) и их длина;
простоту декодирования;
адресуемость и способы адресации;
стоимость оборудования для декодирования и исполнения команд.

Длина команды – это важнейшее обстоятельство, влияющее на организацию и емкость памяти, структуру шин, сложность и быстродействие ЦП. С одной стороны, удобно иметь в распоряжении мощный набор команд, то есть как можно больше кодов операций, операндов, способов адресации, и максимальное адресное пространство. Однако все это требует выделения большего количества разрядов под каждое поле команды, что приводит к увеличению ее длины. Вместе с тем, для ускорения выборки из памяти желательно, чтобы команда была как можно короче, а ее длина была равна или кратна ширине шины данных. Для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия ЭВМ длину команды обычно выбирают кратной байту, поскольку в большинстве ЭВМ основная память организована в виде 8-битовых ячеек.

В рамках системы команд одной ЭВМ могут использоваться разные форматы команд. Обычно это связано с применением различных способов адресации. В таком случае операционная часть команды содержит поле кода операции (КОп) и поле для задания способа адресации (СА).

Общая длина команды R K может быть определена следующим соотношением:

где l – количество адресов в команде; R Ai – количество разрядов для записи i -го адреса; R КОп – разрядность поля кода операции; R СА – разрядность поля способа адресации.

Количество двоичных разрядов, отводимых под код операции , выбирается так, чтобы можно было представить любую из операций. Если система команд предполагает N КОп различных операций, то минимальная разрядность поля кода операции определяется следующим образом:
R КОп = int(log 2 (N КОп )),
где int означает округление в большую сторону до целого числа.

При заданной длине кода команды приходится искать компромисс между разрядностью поля кода операции и адресного поля. Большее количество возможных операций предполагает длинное поле кода операции, что ведет к сокращению адресного поля, то есть к сужению адресного пространства. Для устранения этого противоречия иногда длину поля кода операции варьируют. Изначально под код операции отводится некое фиксированное число разрядов, однако для отдельных команд это поле расширяется за счет нескольких битов, отнимаемых у адресного поля.

В адресной части команды содержится информация о местонахождении исходных данных и месте сохранения результата операции. Обычно местонахождение каждого из операндов и результата задается в команде путем указания адреса соответствующей ячейки основной памяти или номера регистра процессора. Принципы использования информации из адресной части команды определяет система адресации. Система адресации задает число адресов в команде команды и принятые способы адресации

Разрядности полей и рассчитываются по формулам:
R Ai = int(log 2 (N i )), R CA = int(log 2 (N CA )),
где N i , – количество ячеек памяти, к которому можно обратиться с помощью i -ro адреса; N СА – количество способов адресации.

Для определения количества адресов , включаемых в адресную часть, будем использовать термин адресность. В «максимальном» варианте необходимо указать три компонента: адрес первого операнда, адрес второго операнда и адрес ячейки, куда заносится результат операции. В принципе может быть добавлен еще один адрес, указывающий место хранения следующей инструкции. В итоге имеет место четырехадресный формат команды . Такой формат представлен на рисунке 2.25.

Чаще всего необходимость в четвертом адресе отпадает, поскольку команды располагаются в памяти в порядке их выполнения, и адрес очередной команды может быть получен за счет простого увеличения адреса текущей команды в счетчике команд. Это позволяет перейти к трехадресному формату команды. Требуется только добавить в систему команд ЭВМ команды, способные изменять порядок вычислений.

К сожалению, и в трехадресном формате длина команды может оказаться весьма большой. Так, если адрес ячейки основной памяти имеет длину 32 бита, а длина кода операции – 8 бит, то длина команды составит 104 бита (13 байт).

Рисунок 2.25 – Четырехадресный формат команды
Если по умолчанию взять в качестве адреса результата адрес одного из операндов (обычно второго), то можно обойтись без третьего адреса, и в итоге получаем двухадресный формат команды. Естественно, что в этом случае соответствующий операнд после выполнения операции теряется.

Команду можно еще более сократить, перейдя к одноадресному формату, что возможно при выделении определенного стандартного места для хранения первого операнда и результата. Обычно для этой цели используется специальный регистр-аккумулятор центрального процессора (ЦП).

Применение единственного регистра для хранения одного из операндов и результата является ограничивающим фактором, поэтому помимо аккумулятора часто используют и другие регистры ЦП. Так как число регистров к ЦП невелико, для указания одного из них в команде достаточно иметь сравнительно короткое адресное поле. Соответствующий формат носит название полутораадресного или регистрового формата.

Наконец, если для обоих операндов указать четко заданное местоположение, а также в случае команд, не требующих операнда, можно получить нульадресный формат команды. В таком варианте адресная часть команды вообще отсутствует или не задействуется

При выборе количества адресов в адресной части команды обычно руководствуются следующими критериями:

емкостью запоминающего устройства, требуемой для хранения программы;
временем выполнения программы;
эффективностью использования ячеек памяти при хранении программы.

Время выполнения одной команды складывается из времени выполнения операции и времени обращения к памяти. Для трехадресной команды последнее суммируется из четырех составляющих времени:

выборки команды;
выборки первого операнда;
выборки второго операнда;

Одноадресная команда требует двух обращений к памяти:

выборки команды;
выборки операнда.

Как видно, на выполнение одноадресной команды затрачивается меньше времени, чем на обработку трехадресной команды, однако для реализации одной трехадресной команды, как правило, нужно три одноадресных. Этих соображении тем не менее не достаточно, чтобы однозначно отдать предпочтение тому или иному варианту адресности. Определяющим при выборе является тип алгоритмов, на преимущественную реализацию которых ориентирована конкретная ЭВМ.

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

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

2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно для вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиямлбычно относятся сложение и вычитание (последнее в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать отображаемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

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

5. Команды ввода и вывода информации для обмена со внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов.

Ч асто к этой же группе 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 и число команд, анализирующих состояние управляющих битов и воздействующих на них. Здесь для примера можно назвать биты режима работы процессора и биты управления механизмами прерываний от внешних устройств.

В последнее время все большую роль в наборе команд играют команды для преобразования из одного формата данных в другой (например, из 8-битного в 16-битный и т.п.), которые заметно упрощают обработку данных разного типа, но в принципе могут быть заменены последовательностью из нескольких более простых команд. Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с 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 из своего набора команд, остальные же используются эпизодически (в одной из популярных статей это в шутку сформулировано в виде следующей наглядной аналогии: "20% населения выпивают 80% пива). Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации "отброшенных" команд, но часто это бывает приемлемо: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования. Подробнее вопросы, связанные с системой команд современных микропроцессоров будут рассмотрены ниже в этой главе.

П одводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команд довольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации. 1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое. 2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (последнее в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам. 3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка. 4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз). 5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи. 6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе 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 и число команд, анализирующих состояние управляющих битов и воздействующих на них. Здесь для примера можно назвать биты режима работы процессора и биты управления механизмами прерываний от внешних устройств. В последнее время все большую роль в наборе команд играют команды для преобразования из одного формата данных в другой (например, из 8-битного в 16-битный и т.п.), которые заметно упрощают обработку данных разного типа, но в принципе могут быть заменены последовательностью из нескольких более простых команд. Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с 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 из своего набора команд, остальные же используются эпизодически (в одной из популярных статей это в шутку сформулировано в виде следующей наглядной аналогии: «20% населения выпивают 80% пива»). Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации «отброшенных» команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования. Подробнее вопросы, связанные с системой команд современных микропроцессоров, будут рассмотрены ниже в этой главе. Подводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команд довольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения. Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится. У нескольких немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; операционная часть имеется, всегда. Код операции можно представить себе как некоторый условный номер в общем списке системы команд. В основном этот список построен в соответствии с определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегда очевидны. Адресная часть обладает значительно большим разнообразием и ее следует рассмотреть подробнее. Прежде всего отметим, что команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от числа участвующих в них операндов. Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить в адрес A3. Если для операции требовалось меньшее число адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и A3, а содержимое А2 не имело никакого значения. Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Действительно, длина команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части одной команды требуется 3*10 = 30 двоичных разрядов, что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов. Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в ячейку с адресом A3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется 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 задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения А5 = (А1 + А2)*АЗ/А4 и вы обнаружите, что потребуется три трехадресных команды и всего пять одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов. Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти -стек. Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов (например, типа «БЗ-21» и «БЗ-34» и им подобных). До сих пор в описании структуры машинной команды мы пользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперь вопрос об адресации элементов ОЗУ более подробно и строго. Наиболее просто была организована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второго поколения состояла из 36 двоичных разрядов. Очень часто программа предназначалась для обработки по одним и тем же формулам определенного количества содержимого последовательно расположенных ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получили впоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотрены особые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью в машинных командах помимо обычных адресов можно было использовать модифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу. К помеченным таким образом модифицируемым адресам при выполнении команды прибавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимое индексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива. Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ в момент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась без изменений. Описанный механизм модификации адресов существенно упрощал написание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательных ячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п. В ЭВМ третьего поколения идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатывать несколько 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 стандартного вещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах, кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номер ячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относится к отдельному байту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит из нескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобно принимать адрес одного из образующих его байтов (обычно используется младший байт, имеющий наименьший номер). Таким образом, адреса слов меняются уже не через единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах и равняется четырем. Размер машинного слова был, по-видимому, выбран исходя из форматов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либо устройств. Для подтверждения этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМ третьего поколения из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели «ЕС-1022» имело 16 двоичных разрядов, «ЕС-1033» - 32 разряда, а «ЕС-1050» - 64 разряда. 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) не являлись каким-то технически выделенным объемом информации. В машинах третьего поколения появились и еще несколько особенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрение особенностей строения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим до следующего раздела.