Архитектура эвм и язык ассемблера

Архитектура ЭВМ и язык ассемблера

Лекция 1

Обзор архитектуры ЭВМ

Развитие вычислительной техники опирается на:

1.  Уровень развития техники и технологии.

(механические → электромеханические → электронные)

2.  Задачи.

(статистические расчёты, военные расчёты → научно-инженерные расчёты)

Следует учитывать экономическую эффективность построения вычислительной машины. Она зависит от:

1.  быстродействия;

2.  надёжности;

3.  стоимости.

§1 Понятие архитектуры ЭВМ

Вычислительная машина, в нашем контексте, будет обозначать то же, что и ЭВМ и компьютер.

1.  Схема ЭВМ

Архитектура – устройства, особенности функционирования устройств, взаимодействие между устройствами.

ЭВМ: (ЦП + Оперативная память) + Внешние устройства

2.  Центральный процессор

Назначение: координирует работу остальных устройств, выполняет программу пользователя.

Машинная операция – элементарное действие, реализованное аппаратно.

(Состоит из кода операции и операндов. Представляется последовательностью двоичных цифр.)

Машинная программа – последовательность машинных команд, реализующих алгоритм решения задачи.

(Представляет собой последовательность машинных операций.)

Во время работы ЭВМ программа записана в оперативной памяти.

Центральный процессор читает команду за командой и выполняет их последовательно.

Такт работы процессора – выполнение одной машинной команды.

3.  Оперативная память

Назначение: служит для хранения данных и программы во время работы ЭВМ.

Оперативная память представляет собой последовательность ячеек.

Количество ячеек называют объёмом оперативной памяти.

Ячейки перенумерованы, начиная от 0.

Номер ячейки называется адресом ячейки.

Основные операции над оперативной памятью:

1.  запись содержимого в ячейку;

2.  хранение информации;

3.  чтение информации (содержимого ячейки).

Работа с оперативной памятью происходит по ячейкам.

Ячейка – минимальная адресуемая единица памяти.

Доступ к ячейке осуществляется по её адресу.

В любой момент времени можно обратиться к любой ячейке оперативной памяти.

Время доступа не зависит от расположения ячейки в оперативной памяти.

Два последних свойства можно обозначить иначе:

Оперативная память – устройство с произвольным доступом к элементам.

Ячейки делятся на разряды, каждый из которых хранит 1 бит информации.

Количество разрядов одинаково во всех ячейках и называется разрядностью ячейки (или разрядностью машины).

Содержание ячейки называется машинным словом.

Оперативная память:

1.  медленнее, чем процессор;

2.  дорогая;

3.  хранит информацию только во время работы ЭВМ.

4.  Внешние устройства

Назначение:

1.  долговременное хранение информации;

2.  связь вычислительной машины с внешним миром.

Первую из этих функций выполняют внешние запоминающие устройства:

1.  флеш-память

2.  оптические диски

3.  жёсткие диски

4.  магнитофоны

Их характеризует:

1.  большой объём;

2.  то, что время доступа зависит от расположения данных;

3.  то, что скорость их работы много медленнее, чем скорость работы оперативной памяти;

4.  то, что хранение не требует подачи питания.

Вторую функцию берут на себя устройства ввода-вывода:

1.  монитор

2.  клавиатура

3.  мышь

4.  принтер

5.  сканер

6.  плоттер, графопостроитель

Современные внешние устройства, зачастую, взаимодействуют с ЭВМ не непосредственно, а с помощью, так называемого, контроллера — электронной схемы, которая управляет внешним устройством и его связью с ЭВМ.

5.  Связь между внешними устройствами и ЭВМ

Способы:

1.  Общая шина

Шина – набор проводов + электронные схемы, реализующие управление самой шиной (арбитр).

Ситуация: устройству 1 нужно связаться с устройством 2.

1.  Вызывающее устройство (1) посылает сигнал арбитру.

2.  Если шина занята, устройство ждёт.

3.  Вызывающее устройство захватывает шину (арбитр знает, что шина занята вызывающим устройством).

4.  Если подчинённое устройство (2) занято, шина ждёт.

5.  Шина вызывает устройства.

6.  Происходит обмен данными.

7.  Шина освобождается.

Недостатки:

·  медленно:

  i.  шина – медленное устройство;

  ii.  сложная организация;

  iii.  ожидание

Достоинства:

·  дёшево

·  легко подключать новые устройства

2.  Иерархическая (многоуровневая) организация

Существует быстрая шина, соединяющая центральный процессор с оперативной памятью.

Параллельно с ней существует медленная шина (шина ввода-вывода), соединяющая эти устройства с внешними устройствами.

Логическим развитием этой идеи служит ситуация, когда внешние устройства в свою очередь также ранжируются по скорости, и к центральному процессору и оперативной памяти подключается быстрая шина, к которой подключаются быстрые внешние устройства. Как одно из внешних устройств к ней подключается медленная шина, к которой, в свою очередь, подключены медленные внешние устройства.

3.  Несколько шин (метод применяется в больших ЭВМ)

Каждое устройство соединяется с каждым отдельной шиной.

Достоинства:

·  быстро:

  i.  нет ожидания;

  ii.  простые алгоритмы

Недостатки:

·  дорого

·  сложно подключать новые устройства

4.  Каналы ввода-вывода (процессоры ввода-вывода) (метод используется в Супер-ЭВМ, хранилищах данных, серверах)

В случае, когда скорость мощной ЭВМ значительно превосходит скорость внешнего устройства, бывает рационально соединять их не напрямую, а через маломощную ЭВМ, называемую процессором ввода-вывода.

Функции процессора ввода-вывода:

1.  Ведение диалога с пользователем;

2.  Подготовка данных для Супер-ЭВМ (например, трансляция программы).

6.  Реализация элемента памяти

Элемент памяти – электронное устройство, хранящее 1 разряд ячейки.

Вентиль – электронная схема, реализующая элементарную логическую операцию. (not, and, or)

(Элементная база – разная [вакуумные лампы, транзисторы, диоды, область на электронной плате]).

Элемент памяти – RS-триггер:

1.  Запись — подать ток на контакт: R (reset) – 0, S (set) – 1.

Вне зависимости от значения на другом контакте OR возвращает 1.

2.  Чтение значения – взять сигнал на выходе.

3.  Хранение информации – убрать сигнал на входе.