Общие принципы организации и работы компьютеров

Программа и команда
Программа – последовательность команд, записанных по алгоритму, на языке конкретной ЭВМ.
Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер.
Формат команды
Адрес Код команды Содержательная часть

Виды операций
Операции пересылки информации внутри ПК;
Арифметические операции;
Логические операции;
Операции над строками;
Операции обращения к внешним устройствам;
Операции передачи управления;
Обслуживающие и вспомогательные операции.

Операции передачи управления
Безусловной передачи управления;
Простая передача управления GO TO;
Команда вызова подпрограммы GO SUB;
Безадресная команда возврата из процедуры по запомненному адресу RETURN (с использованием стековой памяти по правилу FILO – first input, last - output).
Условной передачи управления
IF
THEN

Базовая структура ПК

Функции памяти
Прием информации из других устройств;
Запоминание информации;
Выдача по запросу информации в другие устройства.
Функции процессора
Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
Программное управление работой устройств ПК.

Процессорная память – дополнительные ячейки памяти, называемые регистрами.
Основной элемент регистра – триггер.
Триггер – это электронная схема для запоминания одного разряда двоичного кода.
Сумматор – регистр АЛУ, электронная схема, выполняющая суммирование двоичных чисел.
Счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу выполняемой операции. Служит для автоматической выборки команд программы из ячеек памяти.
Регистр команд - регистр УУ, предназначен для хранения кода команды на период, необходимый для ее выполнения.

Принципы Фон-Неймана (1945г.)
принцип программного управления – программа состоит набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.Работой ПК руководит программа;
принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, что и над данными. Команды одной программы могут быть получены, как результаты исполнения другой программы. На этом основаны методы трансляции;
принцип адресности – основная память состоит из переномерованных ячеек. Процессору доступна в любой момент любая ячейка.

Состав микропроцессора
Ядро МП;
Исполняющий модуль;
АЛУ для операций с целыми числами;
Регистры;
Блок для работы с числами с плавающей запятой;
Кэш первого уровня – кэш данных и кэш команд От 8 до 512 Кб;;
Блоки декодирования инструкций;
Интерфейсные шины;
Выход на системную шину к оперативной памяти – к RAM.

Функциональный состав МП
Операционная часть – содержит УУ, АЛУ, МПП (исключая несколько адресных регистров);
Интерфейсная часть - содержит адресные регистры МПП, блок регистров команд – регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты работы машины; схемы управления шиной и портами.
Части работают параллельно, интерфейсная часть опережает операционную, т.к. выборка очередной команды из памяти выполняется во время выполнения операционной части предыдущей команды.

Устройство управления – вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки ВМ
Состав:
Регистр команд;
Дешифратор операций;
Постоянное запоминающее устройство микропрограмм;
Узел формирования адреса;
Кодовые шины данных, адреса, инструкций.

Функциональная схема УУ
Кодовая шина инструкций
команды
ПЗУ микропрограмм
Дешифратор операций
Узел формирования
адреса
От генератора
Тактовых
импульсов
От микропроцессорной памяти
Адреса
Кодовая шина
адреса
Код команды
КОП
Адреса операндов
Регистр команд
Рис. 2

Выполнение программы
Программа предварительно записывается в виде файла в постоянную память;
Программа по байтам записывается в ОЗУ запуском программы на выполнение (по команде ОС Run);
В устройство управления (состоящего из счетчика команд и регистра команд RgC) происходит вызов адреса первой команды;
Выборка из ячеек памяти ОЗУ кода команды и прием ее в регистр команд ( RgC. );
Расшифровка команды и ее признаков;
Считывание из регистра команд и регистров памяти отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в операции;
Выбор операндов и выполнение операции;
Запись результата операции в память;
В счетчике команд адрес изменяется, формируется адрес следующей команды.

Архитектура и структура ПК
Архитектура – описание компьютера на общем уровне, включая принципы действия, взаимосвязь основных логических узлов процессора, ОЗУ, внешних ЗУ и ПУ;
Структура – совокупность функциональных элементов и связи между ними.
Фон-неймана архитектура (рис.3.) – однопроцессорный компьютер с общей шиной, которую называют системной магистралью. Совокупность проводов магистрали разделяют на три разновидности: шина адреса, шина данных и шина команд.
Контроллер – устройство, связывающее периферийное устройство с ЦП

Структура работы фон – неймановской МПВС
Рис.3.

Архитектура суперкомпьютеров
Магистральные (конвейерные) – процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком данных - однократный поток данных с многократным потоком команд (multiple instruction single data).
Векторные – компьютеры, у которых все процессоры выполняют одну команду над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (single instruction multiple data)
Матричные – в них выполняются разные операции над последовательными потоками данных – многократный поток команд с многократным набором данных (multiple instructiuon multiple data)

Арифметико-логическое устройство
Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов, сумматор имеет разрядность машинного слова.
Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины, один имеет разрядность двойного слова, другой разрядность слова. В первый регистр помещается первое число, участвующее в операции, а после ее завершения – результат. Функциональная схема АЛУ представлена на рис.4.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
Арифметико-логическое устройство

Схема АЛУ