_АСВТ__Лекция_ 1 Структура компьютера

1. Структура и принципы организации современного компьютера
1.1 ЭВМ фон Неймана
Первые компьютеры построены на базе неймановской архитектуры, которая была предложена математиком Джоном фон Нейманом в 1944 году при создании первой в мире ЭВМ ЭНИАК.
В этой архитектуре используются следующие принципы:
– использование двоичной системы счисления для представления чисел и другой информации;
– раздельные устройства управления и обработки данных;
– последовательное выполнение машинных команд, объединенных в программу;
– организация хранения команд программы и обрабатываемых ими данных в памяти на одинаковых принципах;
– адресная линейная организация памяти.
Команда , инструкция (Instruction) – задание элементарного действия в
процессоре. Программа – последовательность команд, выполняющих
заданный алгоритм.

Структура неймановской вычислительной машины

В 1966 году М. Флинн предложил рассматривать высокопроизводительные системы в отношении параллелизма команд и множественности данных.
SISD – Single Instruction – Single Data (SISD) / Одиночный поток команд – Одиночный поток данных (ОКОД).
SIMD – Single Instruction – Multiple Data (SIMD)/ Одиночный поток команд – Множественный поток данных (ОКМД).
MISD – Multiple Instruction – Single Data (MISD)/ Множественный поток команд – Одиночный поток данных (МКОД).
MIMD – Multiple Instruction – Multiple Data (MIMD)/ Множественный поток команд – Множественный поток данных (МКМД).
Классификация Флинна

SISD
MISD
MIMD
SIMD

1.2 Регистры в процессоре
Регистр - это совокупность битовых запоминающих ячеек, хранящая двоичный код х0х1х2…хm-1 фиксированной разрядности m. Запись в регистр и чтение из него происходят по управляющим сигналам. По существу, совокупность регистров процессора образует сверхоперативную память, которая размещена в кристалле и работает на тактовой частоте процессора.
СК - счетчик команд, который еще называют «Указатель команды».
РК – регистр команды, содержит двоичное командное слово.
РС – регистр состояний процессора.
УкС – указатель стековой памяти.
РОН – набор регистров для хранения данных при выполнении команд.

1.3 Система команд процессора
Архитектура системы команд – это компоненты вычислительной системы, образующие интерфейс между программным и аппаратным обеспечением компьютера

Состав системы команд:
- арифметические,
- логические,
- команды обращения к памяти,
команды управления,
- команды ввода – вывода,
команды изменения адресов,
мультимедийные команды для работы с видео и аудио.
Типы команд

Символическая запись команд:
Коп – двоичный код операции (команды). Например, 0001 – команда сложения, 0010 – команда вычитания.
Операнд – исходное значение величины, которая участвуют в операции.
Адрес операнда – место в памяти, где находится операнд.
Адрес результата – место в памяти, куда записываются данные, полученные при выполнении команды.
Безадресные команды: Коп (Стоп, Ожидание, Начало и т.д.)
Одноадресные команды: Коп А ( А – адрес операнда). Пример y= - x.
Двухадресные команды: Коп А1 А2 (А1 и А2 - адреса первого и второго операндов, результат записывается по адресу А2). Пример z=x+y
Трехадресные команды: Коп А1 А2 А3 (А1 и А2 - адреса первого и второго операндов, результат записывается по адресу А3)
.

Типы архитектур системы команд
Архитектура с полным набором команд: CISC (Complex Instruction Set Computer)
Архитектура с сокращенным набором команд: RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Архитектура с командами сверхбольшой длины: VLIW (Very Long Instruction Word)

Структуры полей команд различных архитектур

1.4 Структурная схема компьютера

1.5 Стандартный цикл выполнения команд процессором
Этап выборки команды из памяти. ЦП извлекает команду из памяти по адресу, который записан в счетчике команд СК, и записывает команду в регистр команд РК. После этого адрес в СК увеличивается на величину L длины команды и показывает на следующую команду в программе.
Этап декодирования команды. Дешифратор определяет код операции Коп и адреса операндов А1 и А2.
Этап выборки операндов из памяти. По найденным адресам из памяти в процессор считываются исходные данные.
Этап исполнения команды. Арифметико-логическое устройство АЛУ выполняет заданную операцию с заданными данными. Получается результат.
Этап записи результата в память. Результат записывается в память по адресу А3.
Цикл закончен. В счетчике команд СК уже есть адрес следующей команды по последовательности в программе. Переход на первый этап цикла.

1.5 Стандартный цикл выполнения команд процессором (продолжение)