TSAiU_Lektsia_2
.pdfЛекция № 2. ЭВМ в автоматизированных системах
2.1.Архитектурные возможности ЭВМ в автоматизированных системах
Сточки зрения архитектуры в любой ЭВМ можно выделить:
1.Центральный процессор (ЦП) – набор регистров и система команд. Используется для обработки данных, управления ходом вычислительного процесса и правления компонентами АС.
2.Основная память. От других видов памяти ее отличает возможность произвольного считывания любой ячейки памяти и время доступа к любой ячейки примерно одинаково.
3.Каналы ввода/вывода информации.
Центральный процессор
С точки зрения пользователя, процессор представляет собой набор регистров и систему команд. Основные регистры процессора:
1.Счетчик команд (программный счетчик) – всегда содержит адрес следующей выполняемой процессом команды.
2.Указатель стека – хранит адрес последней занятой ячейки стековой памяти. Программе часто требуется временно запомнить информацию и затем считывать ее в обратном порядке. Это реализуется посредством стека
LIFO (Last In, First Out) - обозначает принцип «последним пришѐл — первым ушѐл».
Стек всегда растет в сторону младших адресов. При включении элементов в стек производится автоматический декремент указателя стека. При извлечении элементов из стека – инкремент указателя стека.
3.Регистр состояния процессора хранит коды условий выполнения последней арифметической или логической операции в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) и управляет запросами на обслуживание от внешних устройств (ВУ).
Основные регистры процессора ЭВМ семейства Macintosh.
Регистр состояния процессора PSW ЭВМ семейства Macintosh содержит разряды, которые устанавливаются ЦП при выполнении следующих условий:
15 |
… |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
|
P4 |
P2 |
P1 |
T |
N |
Z |
V |
C |
T – Внутреннее прерывание для отладки
N – Отрицательный результат
Z – Нулевой результат
V – Арифметическое переполнение
C – Выполнен перенос из старшего разряда
P1, P2, P4 – определяют приоритет выполняемой процессором программы.
P4 |
P2 |
P1 |
0 |
0 |
0 |
Нулевой приоритет (самый |
P4 |
P2 |
P1 |
Самый высокий приоритет – |
низкий) имеет фоновая |
1 |
1 |
1 |
7 никакое устройство не |
программа. |
|
|
|
может прервать работу |
|
|
|
||
|
|
|
|
программы. |
1
Основные регистры процессора ЭВМ семейства IBM PC
В реальном режиме работы ЦП использует 14 шестнадцатиразрядных регистров.
1.Арифметические регистры.
AX, BX, CX, DX. Каждый регистр может быть использован как 2 восьмиразрядных регистра, например:
AH
AX
AL
2.Сегментные регистры определяют положение рабочих сегментов: CS – кодовый сегмент, регистр сегмента команд.
DS – сегмент данных.
ES – дополнительный сегмент данных. SS – стековый сегмент.
3.Регистры-указатели – указывают точный адрес памяти относительно начала сегмента: SP – указатель стека,
BP – указатель базы, SI – индекс источника,
DI – индекс приемника,
IP – указатель команд,
Адрес любой ячейки памяти указывается с помощью двух регистров: сегментного регистра и регистра указателя. Например: CS:IP – счетчик команд, SS:SP – указатель стека.
4. |
Регистр флагов – использует 9 разрядов из 16-ти. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
… |
11 |
|
10 |
9 |
8 |
7 |
|
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
|
1 |
0 |
|
.. |
OF |
|
DF |
IF |
TF |
SF |
|
ZF |
|
AF |
|
PF |
|
|
CF |
|
OF – Overflow flag, флаг арифметического переполнения |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
DF – Direction flag, флаг направления обработки строковых переменных |
|
|
|
|
|||||||||||
|
IF – Interrupt enable flag, флаг разрешения прерывания (если 0, то никакое внешнее |
|
|
|||||||||||||
|
устройство |
не сможет прервать программу) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
TF – Trap flag, флаг трассировки (пошаговое выполнение) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
SF – Sign flag, флаг знака |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
ZF – Zero flag, флаг нуля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
AF – Auxiliary carry flag, флаг дополнительного переноса |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
PF – Parity flag, флаг четности результата |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
CF – Carry flag, флаг переноса при арифметических операциях |
|
|
|
|
|
||||||||||
Основная память
Основной признак, по которому основную память можно отличить от других видов памяти это возможность произвольного считывания еѐ ячеек, причем время обращения к любой ячейки одинаково.
В качестве основной памяти используются ПЗУ и ОЗУ. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) используется для хранения команд и данных, изменяется в процессе работы системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) хранятся загрузчики ОС и тестовые программы, выполняющие самотестирование при включении питания.
Основная память разбивается на слова определенной длины n двоичных
2
разрядов. Каждое слово основной памяти снабжается адресом.
Минимальная адресуемая единица памяти, как правило, байт —n = 8 двоичных разрядов, даже если ЦП может оперировать со словами большими чем 1 байт.
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
Номер разряда соответствует показателю степени числа 2. |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
- 3316, 5110. |
Характеристики основной памяти:
1.Объем памяти.
2.Время доступа – время подачи команды на считывание или запись до завершения операции.
Форматы представления чисел в ОЗУ
Целые числа
Знак |
Значение в дополнительном коде |
Вещественные числа
|
|
|
X = Знак*M*10(E) |
Знак |
E – порядок |
M - мантисса |
Каналы ввода-вывода информации
Это средство общения ЭВМ с внешним миром.
Набор проводников, по которым передаются сигналы одного функционального назначения принято называть шиной.
Магистралью называется набор проводников, по которым передаются сигналы различного функционального назначения.
Различают 3 шины магистрали: шина данных, адресная шина и шина управления.
По способу соединения между собой ЦП, основной памяти и каналов ввода-вывода данных различают два типа архитектур ЭВМ:
1.ЭВМ с общим магистральным каналом
2.ЭВМ с изолированными магистралями.
2.2.Архитектура ЭВМ с общим магистральным каналом (семейство Macintosh)
Общий магистральный канал
ЦП 
ОЗУ 
ПЗУ 
... 
Таймер
Рис. 2.1. Архитектура ЭВМ с общим магистральным каналом
Особенности:
Все устройства подключаются к магистрали одинаково и имеют единый интерфейс.
Одно адресное пространство используется для основной памяти и ВУ.
Определенная часть адресного пространства зарезервирована для ВУ.
Для обращения к ВУ используются те же команды, что и для обращения к памяти.
ВУ имеют возможность обмена данными с любым регистром процессора.
3
2.3. Архитектура ЭВМ с изолированными магистральными каналами
Магистраль основной памяти |
Ц |
|
Магистраль ВУ |
|
|
ОЗУ |
ПЗУ |
|
Клав. |
... |
Таймер |
Рис. 2.2. Архитектура ЭВМ с изолированными магистральными каналами обмена данными
Особенности:
С функциональной точки зрения имеются два тракта передачи данных.
Имеются две изолированные области адресов.
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Основная |
|
ВУ периферии |
|
|
|
ВУ (УСО) |
|
память |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Регистры |
|
|
|
|
|
|
|
ВУ |
|
|
|
|
|
Левый рис. Относится к схеме 2.1, правый – к схеме 2.2
Рис. 2.3. Адресное пространство ЗВМ на основе единого магистрального канала и ЭВМ на основе изолированных магистральных каналов
|
|
Общая структура магистрали ЭВМ |
|
|
n |
Шина данных (n-разрядная) |
|
|
|||
ЦП |
m |
Шина адреса (m-разрядная) |
|
|
|||
|
|
Шина управления |
|
|
|
|
|
Рис. 2.4. Структура магистрали ЭВМ
Магистраль включает три шины:
ШД – шина данных n – разрядная, двунаправленная. Данные могут передаваться параллельно n – разрядным параллельным кодом: n = 8, 16, 32, 64.
ША – шина адреса, m – разрядная, однонаправленная, используется для адресации памяти и ВУ. m = 16, 18, 20, 24, 32.
Объем памяти: 2m = 64Кбайт, 256Кбайт, 1Мбайт, 16Мбайт, 4Гбайт
ШУ – шина управления. Включает проводники, по которым передаются сигналы управления
(рис.с.5.).
4
Наименование |
Направление |
Архитектура |
Назначение сигнала |
сигнала |
передачи по |
|
(Архитектура: 1 – Единый магистральный канал |
|
отношению к |
|
обмена данными; 2 – Изолированные магистральные |
|
ЦП |
|
каналы обмена данными.) |
|
|
|
|
Чтение |
Вывод |
1,2 |
Считывает в регистр ЦП одно n-разрядное слово по |
|
|
|
указанному адресу из ячейки ОЗУ (1,2) или регистра ВУ (1). |
Ввод |
-«- |
2 |
Считывает в регистр ЦП одно n-разрядное слово по |
|
|
|
указанному адресу из регистра ВУ. |
|
|
|
|
Запись |
Вывод |
1,2 |
Записывает в ячейкуОЗУ (1,2) или регистр ВУ (1) по |
|
|
|
указанному адресу одно n-разрядное слово из регистра ЦП. |
|
|
|
|
Вывод |
-«- |
2 |
Записывает в регистр ВУ одно n-разрядное слово из |
|
|
|
регистра ЦП по указанному адресу. |
|
|
|
|
Запрос |
Ввод |
1,2 |
Требование ВУ прерывания текущей программы ЦП и |
Прерывания |
|
|
его приоритетное обслуживание. |
|
|
|
|
Разрешение |
Вывод |
1,2 |
ЦП разрешает ВУ прерывание текущей программы для |
Прерывания |
|
|
выполнения операций по его обслуживанию. |
|
|
|
|
Запрос Шины |
Ввод |
1,2 |
Требование ВУ к ЦП освободить магистраль и предоставить |
|
|
|
ВУ возможность обмена данными с ОЗУ, минуя ЦП. |
|
|
|
|
Разрешение |
Вывод |
1,2 |
ЦП удовлетворяет требование ВУ и отключается от |
Шины |
|
|
шин магистрали. |
|
|
|
|
Рис.2.5. Типовые сигналы шины управления ЭВМ.
2.4. Передача информации по системной магистрали
Передача по системной магистрали байта или слова данных называется циклом шины. При передаче
данных используются все шины магистрали (рис. 2.6.).
Рис. 2.6. Принципы передачи информации по системной шине
На магистрали всегда действуют два устройства: задатчик и исполнитель. Задатчиком чаще всего является процессор, исполнителем — ячейка ОЗУ или регистр внешнего устройства. Задатчик управляет шиной адреса и шиной управления. Исполнитель может принимать данные с шины данных или передавать данные на шину данных.
5