Введение в архитектуру ЭВМ. Раздел 1. Понятие архитектуры ЭВМ и общие механизмы функционирования

План:
Базовые определения.
Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.
Программный принцип управления.
Алгоритм командного цикла для ЭВМ с архитектурой фон Неймана.
Конвейер команд.
Многоуровневая память.
Загрузка ОС и прикладных программ.

Код операции – код, находящийся в оперативной части; определяет какая именно операция выполняется. Занимает 8 бит.
Микрооперация – элементарное действие внутри ВМ.
Адресная часть – часть, где хранятся адреса.
Регистр команд – регистр, после помещения в который, тело команды начнет выполняться .

Принцип программного управления архитектуры фон Неймана обеспечивает универсальность использования компьютера.
Другие принципы фон Неймана:
Принцип однородности памяти
Принцип адресности
Принцип двоичного кодирования

Программы, постоянно размещающиеся в оперативной памяти, называются резидентными.
Программы, загружаемые в оперативную память только на время выполнения, а затем удаляемые из памяти, называются транзитными.
Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в ПЗУ, т.е. реализовываться аппаратно.
Программы, записанные в ПЗУ, составляют базовую систему ввода/вывода (BIOS) – является промежуточным звеном между программным обеспечением компьютера и его электронными компонентами.

4. Алгоритм командного цикла для ЭВМ с архитектурой фон Неймана.
Используемые регистры:

Откуда берется такая размерность Регистра команд (12 бит)?
ОЗУ – 4096 слов (ячеек), т.е. по 40 двоичных разрядов.
Адреса ячеек – целые числа от 0 до 4095, для их записи требуется не менее 12 бит.
1 40-разрядная ячейка = 2-е 20-разрядные команды (система команд одноадресная)
1 команда = 20 разрядов = 12 бит (адрес информации) + 6 бит (КОП, т.е. возможно 64 операции) + 2 бита (не используются)

Алгоритм командного цикла.
Выборка очередной команды из ОЗУ:
а) адрес очередной команды копируется из СК в РК, младшие 12 разрядов которого одновременно служат регистром считываемого из ОЗУ адреса;
б) стандартным образом производится считывание содержимого необходимой ячейки ОЗУ в РП. Считывание происходит точно так же, как если бы требовалось прочитать число, а не пару команд программы.
в) считанный код копируется из РП в РК и ДР так, чтобы в РК оказалась первая команда пары, а в ДР - вторая.
II. Добавление единицы к содержимому счетчика СК, чтобы он показывал адрес следующей ячейки ОЗУ с командами.
III. Дешифрация и выполнение первой команды из РК.
IV. Копирование второй команды пары из ДР в РК; ее дешифрация и выполнение.
V. Если вычисления не закончены, то перейти к пункту I.

5. Конвейер команд.
Идеи конвейеризации выполнения последовательности команд программы состоит в следующем: все операции разбиваются на ряд стандартных шагов, для выполнения каждого из которых проектируется отдельное устройство.

Пример организации конвейерного выполнения команд программы:

На практике трудности процесса могут быть вызваны следующими причинами:
Не все команды строго одинаковы.
Наиболее критичной операцией конвейера является обращение к ОЗУ.
Последующим командам могут требоваться результаты предыдущих.
Для выхода на нормальный режим от "пустого" конвейера требуется некоторое время.
Отдельная команда даже при благоприятном стечении обстоятельств в конвейере выполняется дольше, чем если бы она выполнялась отдельно.