Обработка данных

Часть 2: Обработка данных
2.1 Архитектура компьютера
2.2 Концепция хранимой программы
2.3 Выполнение программы
2.4 Арифметические и логические команды
2.5 Взаимодействие с другими устройствами
2.6 Другие типы архитектуры компьютеров
2-

Архитектура компьютера
Процессор или CPU (Central Processing Unit)
Арифметико-логический блок и
устройство управления
Регистры
Общего назначения
Специального назначения
Шина
Материнская плата
3-

Рисунок 2.1 Соединение центрального процессора и основной памяти с помощью шины
2-

Концепция хранимой программы
Программа должна быть закодирована в виде битовых последовательностей и хранится в оперативной памяти.
Процессор может извлекать инструкции из оперативной памяти и выполнять их.
В свою очередь, программа для выполнения должна быть легко изменямой.
2-

Терминология
Машинная команда: Команда (инструкция), закодированная битовой комбинацией и распознаваемая процессором
Машинный язык: Полный набор машинных инструкций с системой их кодирования
2-

Философия машинных языков
Компьютер с сокращенным набором команд
(RISC - Reduced Instruction Set Computing)
Инструкций мало, они простые эффективные и быстрые
Достаточно низкая стоимость
Примеры: PowerPC от Apple/IBM/Motorola и ARM
Компьютер с полным набором команд
(CISC Complex Instruction Set Computing)
Инструкций много, они удобные и мощные
Высокая стоимость и сложность распараллеливания
Пример: Intel
2-

Типы машинных команд
Передача данных: копирование данных из одного места в другое
Арифметико-логические: используют существующие битовые комбинации для вычисления новых битовых шаблонов
Управление: управление выполнением программы
2-

Рисунок 2.2 Сложение двух чисел, хранимых в основной памяти
2-

Рисунок 2.3 Деление двух чисел, хранимых в основной памяти
2-

Рисунок 2.4 Архитектура машины, описанной в приложении C
2-

Составные части машинной команды
Код операции: определяет, какую операцию выполнять
Операнд: дает более подробную информацию об операции
Интерпретация операнда меняется в зависимости от кода операции
2-

Рисунок 2.5 Формат
команды для машины, описанной в приложении C
2-

Рисунок 2.6 Расшифровка команды 35A7
2-

Рисунок 2.7 Расшифровка вариантов команд для рисунка 2.2
2-

Выполнение программы
Управляется посредством двух регистров специального назначения:
Счётчик адреса: содержит адрес следующей выполняемой команды
Регистр команд: содержит текущую команду
Машинный цикл
Выборка
Декодирование
Выполнение
2-

Рисунок 2.8 Схема машинного цикла
2-

Рисунок 2.9 расшифровка команды B258
2-

Рисунок 2.10 Программа с рисунка 2.7 хранится в памяти и готова к выполнению
2-

Рисунок 2.11 Выполнение шага выборки машинного цикла
2-

Figure 2.11 Выполнение выборки машинного цикла (продолжение)
2-

Арифметико-логические операции
Логические: AND, OR, XOR
Маскирование
Вращение и сдвиг: циклический сдвиг, логический сдвиг, арифметический сдвиг
Арифметические: сложение, вычитание, умножение, деление
Точность выполнения операций зависит от того, как значения кодируются (двоичный дополнительный код или код с плавающей точкой).
2-

Рисунок 2.12 Циклическое вращение битового шаблона 65
(в шестнадцатеричном коде) –
сдвиг на 1 разряд вправо
2-

Взаимодействие с другими устройствами
Контроллер: Промежуточное устройство, которое управляет взаимодействием между компьютером и устройством
Специализированные контроллеры для каждого типа устройств
Контроллеры общего назначения (USB и FireWire)
Порт: Точка, в которой устройство подключается к компьютеру
Ввод\вывод с отображением на память: Процессор взаимодействует с периферийными устройствами,
как если бы они были
ячейки памяти
2-

Рисунок 2.13 Подключение контроллеров к шине компьютера
2-

Рисунок 2.14 Концептуальная
схема метода отображения ввода/
вывода на память
2-

Взаимодействие с другими устройствами (продолжение)
Прямой доступ к памяти (DMF - Direct memory access): Основная память доступна с помощью контроллера на шине
Ограничение Фон Неймана: Недостаточная скорости шины препятствует производительности
Подтверждение связи: Процесс координации передачи данных между компонентами
2-

Взаимодействие с другими устройствами (продолжение)
Параллельная передача: Нескольких битов одновременно передаются по каналам связи.
Последовательная передача: Биты передаются друг за другом по одному каналу связи.
2-

Скорости передачи данных
Единицы измерения
Bps: биты в секунду
Kbps: Kilo-bps (1,000 bps)
Mbps: Mega-bps (1,000,000 bps)
Gbps: Giga-bps (1,000,000,000 bps)
Пропускная способность: Максимально допустимая скорость
2-