ВСТУП
Рівень архітектури необхідний кожному фахівцю. Архітектура - це найбільш загальні принципи побудови ЕОМ, що реалізують програмне управління роботою і взаємодією основних функціональних вузлів. На цьому рівні не потрібне знання схемних рішень сучасної радіотехніки та мікроелектроніки. Останнє взагалі виходить за межі інформатики, воно потрібне лише розробникам фізичних елементів комп'ютерів.
Рівень архітектури досить глибокий, він включать питання управління роботою ЕОМ (програмування) мовою машинних команд (асемблера). Такий спосіб управління набагато складніше, ніж написання програм на мовах високого рівня і, тим не менш, без уявлення про нього неможливо зрозуміти реальну роботу комп'ютера.
Нарешті, в цьому розділі наведено короткий огляд зовнішніх пристроїв сучасних комп'ютерів - накопичувачів, пристроїв введення і виведення інформації, - а також елементарне опис принципів їх роботи, професійні характеристики.
Об'єктом вивчення є обчислювальна техніка.
Предметом дослідження є архітектура ЕОМ.
Метою роботи є вивчення архітектури ЕОМ.
Для досягнення даної мети необхідно вирішити такі завдання:
визначити поняття архітектура ЕОМ;
вивчити навчальну літературу на тему «Архітектура ЕОМ»;
вивчити розвиток внутрішньої структури ЕОМ.
1. Про поняття «АРХІТЕКТУРА ЕОМ»
Слово «архітектура» в первісному своєму значенні використовується у містобудуванні. Будучи досить складною структурою, сучасне місто складається з районів, площ, вулиць, будинків тощо, розташованих певним чином.
Для того, щоб орієнтуватися в хитросплетінні вулиць і площ, в будь-якому місті існує історично склалася система назв, а також певна нумерація будинків. Наявність загальноприйнятої адресації дозволяє однозначно визначити положення будь-якої будівлі і в разі потреби швидко відшукати його. У багатьох випадках розташування вулиць і присвоєння їм імен носить безладний характер. У той же час буває, що ця діяльність ретельно продумана і є продовженням загального планування міста, тобто фактично частиною його архітектури. Класичним прикладом може служити відома система взаємно-перпендикулярних вулиць (авеню і стріти) міста Нью-Йорка. Крім суто практичної, архітектура міста може мати ще й художню цінність (що зазвичай більше цікавить приїжджих). Але цей аспект поняття «архітектура» навряд чи переносимо на обчислювальну техніку.
Використовуючи аналогію з містобудуванням, природно розуміти під архітектурою ЕОМ ту сукупність їх характеристик, яка необхідна користувачеві. Це, перш за все, основні пристрої і блоки ЕОМ, а також структура зв'язків між ними. Якщо зазирнути, наприклад, в «Тлумачний словник по обчислювальним системам», ми прочитаємо там, що термін «архітектура ЕОМ використовується для опису принципу дії, конфігурації і взаємного з'єднання основних логічних вузлів ЕОМ« архітектура »».
Однак опис внутрішньої структури ЕОМ зовсім не є самоціллю: з точки зору архітектури представляють інтерес лише ті зв'язки і принципи, які є найбільш загальними, притаманними багатьом конкретним реалізаціям обчислювальних машин. Часто говорять навіть про родинах ЕОМ, тобто групах моделей, сумісних між собою. У межах однієї родини основні принципи устрою і функціонування машин однакові, хоча окремі моделі можуть істотно відрізнятися за продуктивністю, вартості та іншим параметрам. Яскравим прикладом можуть служити різні модифікації комп'ютерів PDP фірми DEC (більш відомі нашим користувачам за вітчизняним аналогам - серії ДВК), сімейство MSX-машин, якому належить широко поширена YAMAHA, а також заполонили світ IBM-сумісні персональні комп'ютери.
Саме те загальне, що є в будові ЕОМ, і відносять до поняття архітектури. Важливо зазначити, що метою такої спільності, в кінцевому рахунку, служить цілком зрозуміле прагнення: всі машини одного сімейства, незалежно від їх конкретного пристрою і фірми-виробника, повинні бути здатні виконувати одну й ту ж саму програму. Звідси неминуче випливає висновок, що з точки зору архітектури важливі не всі відомості про побудову ЕОМ, а тільки ті, які можуть як-то використовуватися при програмуванні і «користувальницької» роботі з ЕОМ. Нижче наводиться перелік тих найбільш загальних принципів побудови ЕОМ, які відносяться до архітектури:
• структура пам'яті ЕОМ;
• способи доступу до пам'яті і зовнішніх пристроїв;
• можливість зміни конфігурації комп'ютера;
• система команд;
• формати даних;
• організація інтерфейсу.
Підсумовуючи все вищевикладене, отримуємо наступне визначення архітектури:
«Архітектура-це найбільш загальні принципи побудови ЕОМ, що реалізують програмне управління роботою і взаємодією основних її функціональних вузлів».
2. КЛАСИЧНА АРХІТЕКТУРА ЕОМ II принципи фон Неймана
Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин заклав видатний американський математик Джон фон Нейман. Він підключився до створення першої в світі лампової ЕОМ ENIAC у 1944 р., коли її конструкція була вже вибрана. У процесі роботи під час численних дискусій зі своїми колегами Г. Голдстайном і А. Беркс фон Нейман висловив ідею принципово нової ЕОМ. У 1946 р. вчені виклали свої принципи побудови обчислювальних машин в що стала класичною статті «Попередній розгляд логічної конструкції електронно-обчислювального пристрою». З тих пір минуло півстоліття, але висунуті в ній положення зберігають актуальність і сьогодні.
Раніше всі обчислювальні машини зберігали оброблювані числа в десятковому вигляді. Автори переконливо продемонстрували переваги двійкової системи для технічної реалізації, зручність і простоту виконання у ній арифметичних і логічних операцій. Надалі ЕОМ стали обробляти і нечислові види інформації - текстову, графічну, звукову та інші, але двійкове кодування даних як і раніше становить інформаційну основу будь-якого сучасного комп'ютера.
Ще однією воістину революційною ідеєю, значення якої важко переоцінити, є запропонований Нейманом принцип «що зберігається програми». Спочатку програма задавалася шляхом установки перемичок на спеціальній комутаційної панелі. Це було дуже трудомістким заняттям: наприклад, для зміни програми машини ENIAC було потрібно кілька днів (у той час як власне розрахунок не міг тривати більше декількох хвилин - виходили з ладу лампи). Нейман першим здогадався, що програма може також зберігатися у вигляді набору нулів та одиниць, причому в тій же самій пам'яті, що й оброблювані нею числа. Відсутність принципової різниці між програмою і даними дало можливість ЕОМ самій формувати для себе програму відповідно до результатів обчислень.
Фон Нейман не тільки висунув основоположні принципи логічного пристрою ЕОМ, але й запропонував її структуру, яка відтворювалася протягом перших двох поколінь ЕОМ. Основними блоками по Нейману є пристрій керування (УУ) і арифметико-логічний пристрій (АЛП) (зазвичай об'єднуються в центральний процесор), пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої введення і виведення. Схема устрою такий ЕОМ представлена на малюнку 2.1. Суцільні лінії зі стрілками вказують напрямок потоків інформації, пунктирні-керуючих сигналів від процесора до решти версій сайту ЕОМ
Рисунок 2.1 - Архітектура ЕОМ, побудованої на принципах Фон Неймана
Пристрій керування та арифметико-логічний пристрій в сучасних комп'ютерах об'єднані в один блок - процесор, що є перетворювачем інформації, що надходить з пам'яті і зовнішніх пристроїв (сюди відносяться вибірка команд із пам'яті, кодування і декодування, виконання різних, в тому числі і арифметичних, операцій, узгодження роботи вузлів комп'ютера). Пам'ять (ЗУ) зберігає інформацію (дані) і програми. Запам'ятовуючі пристрої у сучасних комп'ютерів «багатоярусно» і включає оперативне запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), що зберігає ту інформацію, з якою комп'ютер працює безпосередньо в даний час і зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ВЗУ) набагато більшої місткості, ніж ОЗУ, але з істотно більш повільним доступом. На ОЗУ і ВЗУ класифікація пристроїв пам'яті не закінчується - певні функції виконують і СОЗУ (сверхоператівное запам'ятовуючий пристрій), і ПЗУ (постійний запам'ятовуючий пристрій), та інші підвиди комп'ютерної пам'яті.
У побудованій за описаною схемою ЕОМ відбувається послідовне зчитування команд з пам'яті і їх виконання. Номер (адреса) черговий комірки пам'яті, з якої буде вилучено наступна команда програми, вказується спеціальним пристроєм - лічильником команд в УУ. Його наявність також є одним з характерних ознак розглянутої архітектури.
Розроблені фон Нейманом основи архітектури обчислювальних пристроїв виявилися настільки фундаментальними, що отримали в літературі назву «фон-неймановскої архітектури». Переважна більшість обчислювальних машин на сьогоднішній день - фон-неймановскую машини. Виняток становлять лише окремі різновиди систем для паралельних обчислень, в яких відсутній лічильник команд, не реалізована класична концепція змінної і є інші суттєві принципові відмінності від класичної моделі (прикладами можуть служити потокова і редукційна обчислювальні машини).
Мабуть, значне відхилення від фон-неймановскої архітектури відбудеться в результаті розвитку ідеї машин п'ятого покоління, в основі обробки інформації в яких лежать не обчислення, а логічні висновки.
3. УДОСКОНАЛЕННЯ І РОЗВИТОК ВНУТРІШНЬОЇ СТРУКТУРИ ЕОМ
У попередньому розділі була описана класична структура ЕОМ, відповідна обчислювальним машинам першого і другого поколінь. Природно, що в результаті бурхливого розвитку технології виробництва засобів обчислювальної техніки така структура не могла не зазнати певних прогресивних змін.
Як зазначалося вище, поява третього покоління ЕОМ було обумовлено переходом від транзисторів до інтегральних мікросхем. Значні успіхи у мініатюризації електронних схем не лише сприяли зменшенню розмірів базових функціональних вузлів ЕОМ, а й створили передумови для істотного зростання швидкодії процесора. Виникло істотне протиріччя між високою швидкістю обробки інформації всередині машини і повільною роботою пристроїв введення-виведення, в більшості своїй містять механічно рухаються. Процесор, що керував роботою зовнішніх пристроїв, значну частину часу був би змушений простоювати в очікуванні інформації «з зовнішнього світу », що суттєво знижувало б ефективність роботи всієї ЕОМ в цілому. Для вирішення цієї проблеми виникла тенденція до звільнення центрального процесора від функцій обміну і до передачі їх спеціальним електронним схемами управління роботою зовнішніх пристроїв. Такі схеми мали різні назви: канали обміну, процесори введення-виведення, периферійні процесори. Останнім часом все частіше використовується термін «контролер зовнішнього пристрої» (або просто контролер).
Наявність інтелектуальних контролерів зовнішніх пристроїв стало важливою відмінною рисою машин третього і четвертого поколінь.
Контролер можна розглядати як спеціалізований процесор, що керує роботою «ввіреного йому» зовнішнього пристрою по спеціальним вбудованим програмам обміну. Такий процесор має власну систему команд. Наприклад, контролер накопичувача на гнучких магнітних дисках (дисковода) вміє позиціонувати голівку на потрібну доріжку диска, читати або записувати сектор, форматувати доріжку і т.п. Результати виконання кожної операції заносяться у внутрішні регістри пам'яті контролера і можуть бути в подальшому прочитані центральним процесором.
Таким чином, наявність інтелектуальних зовнішніх пристроїв може істотно змінювати ідеологію обміну. Центральний процесор при необхідності зробити обмін видає завдання на його здійснення контролеру. Подальший обмін інформацією може протікати під керівництвом контролера без участі центрального процесора. Останній отримує можливість «займатися своєю справою», тобто виконувати програму далі (якщо по даній задачі до завершення обміну нічого зробити не можна, то можна в цей час вирішувати іншу).
Перейдемо тепер до обговорення питання про внутрішню структуру комп'ютера, яка містить інтелектуальні контролери, зображеної на рис. 3.1. З малюнка видно, що для зв'язку між окремими функціональними вузлами ЕОМ використовується загальна шина (часто її називають магістраллю). Шина складається з трьох частин:
• шина даних, по якій передається інформація;
• шина адреси, яка визначає, куди передаються дані;
• шина управління, що регулює процес обміну інформацією.
Існують моделі комп'ютерів, у яких шини даних і адреси для економії об'єднані. У таких машин спочатку на шину виставляється адреса, а потім через деякий час дані; для якої саме мети використовується шина в даний момент, визначається сигналами на шині керування.
Описану схему легко поповнювати новими пристроями - це властивість називають відкритістю архітектури. Для користувача відкрита архітектура означає можливість вільно вибирати склад зовнішніх пристроїв для свого комп'ютера, тобто конфігурувати його в залежності від кола вирішуваних завдань.
На рис. 3.1 представлений новий у порівнянні з рис. 2.1 вид пам'яті - відео - ОЗП (відеопам'ять). Його поява пов'язана з розробкою особливого пристрою виводу - екран. Основною частиною дисплея служить електронно-променева трубка, яка відображає інформацію приблизно так само, як це відбувається в телевізорі (до деяких дешевим домашнім моделям комп'ютерів просто підключається звичайний телевізор). Очевидно, що дисплей, не маючи механічно рухомих частин, є «дуже швидким" пристроєм відображення інформації. Тому для ЕОМ третього і четвертого поколінь він є невід'ємною частиною (хоча вперше дисплей був реалізований на деяких ЕОМ другого покоління, наприклад, на «МИР-2» - дуже цікавою у багатьох відношеннях вітчизняної розробці).
Малюнок 3.1 - Шинна архітектура ЕОМ
Для отримання на екрані монітора стабільної картинки її треба десь зберігати. Для цього й існує відеопам'ять. Спочатку вміст відеопам'яті формується комп'ютером, а потім контролер дисплея виводить зображення на екран. Обсяг відеопам'яті істотно залежить від характеру інформації (текстова або графічна) і від кількості кольорів зображення. Конструктивно вона може бути виконана як звичайне ОЗУ або міститися безпосередньо в контролері дисплея (саме тому на малюнку 3.1 вона показана пунктиром).
Зупинимося ще на одній важливій особливості структури сучасних ЕОМ. Оскільки процесор тепер перестав бути центром конструкції, стало можливим реалізовувати прямі зв'язки між пристроями ЕОМ. На практиці найчастіше використовують передачу даних із зовнішніх пристроїв в ОЗУ і навпаки. Режим, при якому зовнішнє обмінюється безпосередньо з основною памяттю без участі центрального процесора, називається прямим доступом до пам'яті (ПДП). Для його реалізації необхідний спеціальний контролер. Підкреслимо, що режим ПДП в машинах першого і другого поколінь не існував. Тому що іноді зустрічається схема ЕОМ, на якій дані з пристроїв введення безпосередньо надходять в ОЗУ, не відповідає дійсності: дані за відсутності контролера ПДП завжди, спочатку приймаються у внутрішні регістри процесора і лише потім в пам'ять.
При описі магістральної структури ми спрощено припускали, що всі пристрої взаємодіють через загальну шину. З точки зору архітектури цього цілком достатньо. Згадаємо все ж, що на практиці така структура застосовується тільки для ЕОМ з невеликим числом зовнішніх пристроїв. При збільшенні потоків інформації між пристроями ЕОМ єдина магістраль перевантажується, що істотно гальмує роботу комп'ютера. Тому до складу ЕОМ можуть вводитися одна або кілька додаткових шин. Наприклад, одна шина може використовуватися для обміну з пам'яттю, друга - для зв'язку з «швидкими», а третя - з «повільними» зовнішніми пристроями. Відзначимо, що високошвидкісна шина даних ОЗУ обов'язково потрібно при наявності режиму ПДП.
Завершуючи обговорення особливостей внутрішньої структури сучасних ЕОМ, зазначимо кілька характерних тенденцій в її розвитку. По-перше, постійно розширюється і вдосконалюється набір зовнішніх пристроїв, що призводить, як описувалося вище, до ускладнення системи зв'язків між вузлами ЕОМ. По-друге, обчислювальні машини перестають бути однопроцесорними. Крім центрального, в комп'ютері можуть бути спеціалізовані процесори для обчислення з плаваючою комою (так звані математичні співпроцесори), відеопроцесори для прискорення виведення інформації на екран дисплея і т.п. Розвиток методів паралельних обчислень також викликає до життя обчислювальні системи досить складної структури, в яких одна операція виконується відразу декількома процесорами. По-третє, що намітилося прагнення мати швидкодіючі машини не тільки для обчислень, але і для логічного аналізу інформації, також може призвести в найближчі роки до серйозного перегляду традиційної фон-неймановскої архітектури.
Ще однією особливістю розвитку сучасних ЕОМ є всі прискорене зростання ролі міжкомп'ютерних комунікацій. Все більша кількість комп'ютерів об'єднуються в мережі і обробляють наявну інформацію спільно.
Таким чином, внутрішня структура обчислювальної техніки постійно вдосконалювалася і буде вдосконалюватися.
Разом з тим, на даний момент переважна більшість існуючих ЕОМ, незважаючи на наявні відмінності, як і раніше складається з однакових вузлів і засновано на загальних принципах фон-неймановскої архітектури.
4. ОСНОВНИЙ ЦИКЛ РОБОТИ ЕОМ
У даному розділі коротко розглянуто послідовність дій при виконанні команди в ЕОМ. Можна стверджувати, що робочий цикл у загальному вигляді однаковий для всіх фон-неймановскую машин.
Важливою складовою частиною фон-неймановскої архітектури є лічильник адреси команд. Цей спеціальний внутрішній регістр процесора завжди вказує на клітинку пам'яті, в якій зберігається наступна команда програми. При включенні живлення або при натисканні на кнопку скидання в лічильник апаратно заноситься стартова адреса знаходиться в ПЗУ програми ініціалізації всіх пристроїв і початкового завантаження. Подальше функціонування комп'ютера визначається програмою. Таким чином, вся діяльність ЕОМ - це безперервне виконання тих чи інших програм, причому ці програми можуть у свою чергу завантажувати нові програми і т.д.
Кожна програма складається з окремих машинних команд. Кожна машинна команда ділиться на ряд елементарних уніфікованих складових частин, які прийнято називати тактами. Залежно від складності команди вона може бути реалізована за різне число тактів. Наприклад, пересилання інформації з одного внутрішнього регістра процесора в іншій виконується за кілька тактів, а для перемножування двох цілих чисел їх потрібно на порядок більше. Істотне подовження команди відбувається, якщо оброблювані дані ще не знаходяться всередині процесора і їх доводиться зчитувати з ОЗУ.
При виконанні кожної команди ЕОМ проробляє певні стандартні дії:
1) відповідно вмісту лічильника адреси команд, зчитується чергова команда програми (її код зазвичай заноситься на зберігання в спеціальний регістр УУ, який носить назву регістра команд);
2) лічильник команд автоматично змінюється так, щоб у ньому містився адреса наступної команди (у найпростішому випадку для цієї мети достатньо до поточного значення лічильника додати деяку константу, що визначається довжиною команди);
3) лічена в регістр команд операція розшифровується, витягуються необхідні дані і над ними виконуються необхідні дії.
Потім у всіх випадках, за винятком команди зупинки чи настання переривання, всі описані дії циклічно повторюються.
Після вибірки команди зупину ЕОМ припиняє обробку програми. Для виходу з цього стану потрібно або запит від зовнішніх пристроїв, або перезапуск машини.
Розглянутий основний алгоритм роботи ЕОМ дає можливість крок за кроком виконати зберігається в ОЗУ лінійну програму. Якщо ж потрібно змінити порядок обчислень для реалізації розвилки або циклу, достатньо в лічильник команд занести необхідну адресу (саме так відбувається умовний або безумовний перехід).
У комп'ютерах на базі мікропроцесорів INTEL 80286 і більш пізніх моделей для прискорення основного циклу виконання команди використовується метод конвеєризації (іноді застосовується термін «випереджальна вибірка»). Ідея полягає в тому, що кілька внутрішніх пристроїв процесора працюють паралельно: одне зчитує команду, інше дешифрує операцію, третє обчислює адреси використовуваних операндів і т.д. В результаті після закінчення команди найчастіше виявляється, що наступна вже вибрана з ОЗУ, дешифрована і підготовлена до виконання. Відзначимо, що в разі порушення природного порядку виконання команд в програмі (наприклад, при безумовному переході) випереджальна вибірка виявляється марною і конвеєр очищається. Наступна за переходом команда виконується довше, тому що, щоб конвеєр «заробив на повну потужність», необхідно його попередньо заповнити. Іншими словами, у конвеєрній машині час виконання програми може залежати не тільки від складових її команд, але і від їх взаємного розташування.
5. СИСТЕМА КОМАНД ЕОМ І СПОСОБИ ЗВЕРНЕННЯ До ДАНИМИ
Важливою складовою частиною архітектури ЕОМ є система команд. Незважаючи на велику кількість різновидів ЕОМ, на самому низькому («машинному») рівні, вони мають багато спільного. Система команд будь-який ЕОМ обов'язково містить такі групи команд обробки інформації.
1. Команди передачі даних (перепис), копіюють інформацію з одного місця в інше.
2. Арифметичні операції, яким фактично зобов'язана своєю назвою обчислювальна техніка. Звичайно, частка обчислювальних дій у сучасному комп'ютері помітно зменшилася, але вони як і раніше грають у програмах важливу роль. Відзначимо, що до основних арифметичних дій зазвичай ставляться додавання і віднімання (останнє, в кінцевому рахунку, найчастіше тим чи іншим способом також зводиться до складання). Що стосується множення і ділення, то вони в багатьох ЕОМ виконуються за спеціальними програмами.
3. Логічні операції, що дозволяють комп'ютеру аналізувати оброблювану інформацію. Найпростішими прикладами можуть служити порівняння, а також відомі логічні операції І, АБО, НЕ (інверсія). Крім того до них часто додаються аналіз окремих бітів коду, їх скидання і встановлення.
4. Зрушення двійкового коду вліво і вправо. Для доказу важливості цієї групи команд достатньо згадати правило множення стовпчиком: кожне наступне твір записується в такій схемі із зсувом на одну цифру вліво. У деяких окремих випадках множення і ділення взагалі може бути замінено зрушенням (згадайте, що дописавши або забравши нуль праворуч, тобто фактично здійснюючи зрушення десяткового числа, можна збільшити або зменшити його в 10 разів).
5. Команди введення і виведення інформації для обміну з зовнішніми пристроями. У деяких ЕОМ зовнішні пристрої є спеціальними службовими адресами пам'яті, тому введення і вивід здійснюється за допомогою команд перепису.
6. Команди керування, що реалізують нелінійні алгоритми. Сюди перш за все слід віднести умовний і безумовний перехід, а також команди звернення до підпрограми (перехід з поверненням). Деякі ЕОМ мають спеціальні команди для організації циклів, але це не обов'язково: цикл може бути зведений до тієї чи іншої комбінації умовного та безумовного переходiв. Часто до цієї ж групи команд відносять нечисленні операції з управління процесором - типу «зупинення» або НОП («ні операції»). Іноді їх виділяють в окрему групу.
Із зростанням складності пристрою процесора збільшується і кількість команд, які аналізують стан керуючих бітів і впливають на них. Тут для прикладу можна назвати біти режиму роботи процесора і біти управління механізмами переривань від зовнішніх пристроїв.
Останнім часом все більшу роль у наборі команд грають команди для перетворення з одного формату даних в інший (наприклад, з 8-бітного в 16-бітний і т.п.), які помітно спрощують обробку даних різного типу, але в принципі можуть бути замінені послідовністю з декількох більш простих команд.
Розглядаючи систему команд, не можна не згадати про двох сучасних взаємно конкуруючих напрямках у її побудові: комп'ютер з повним набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) і з обмеженим набором - RISC (Reduced Instruction Set Computer). Поділ виник через те, що основну частину часу комп'ютера доводиться виконувати невелику частину з свого набору команд, інші ж використовуються епізодично (в одній з популярних статей це жартома сформульовано у вигляді такої наочної аналогії: «20% населення випивають 80% пива» ). Таким чином, якщо суттєво обмежити набір операцій до найбільш простих і коротких, зате ретельно оптимізувати їх, вийде досить ефективна і швидкодіюча RISC-машина. Щоправда за швидкість доведеться платити необхідністю програмної реалізації «відкинутих» команд, але часто ця плата буває виправданою: наприклад, для наукових розрахунків або машинної графіки швидкодія істотно важливіше проблем програмування. Детальніше питання, пов'язані з системою команд сучасних мікропроцесорів, будуть розглянуті нижче в цьому розділі.
Підводячи підсумок, ще раз підкреслимо, що основний набір команд досить слабо змінився в ході бурхливої еволюції ЕОМ. У той же час способи вказівки адреси розташування інформації в пам'яті зазнали значних змін і заслуговують окремого розгляду.
Команда ЕОМ зазвичай складається з двох частин - операційної та адресною. Операційна частина (інакше вона ще називається кодом операції - КОП) вказує, яке дію необхідно виконати з інформацією. Адресна частина описує, де використовується інформація зберігається. У кількох нечисленних команд керування роботою машини адресна частина може бути відсутньою, наприклад, в команді зупину; операційна частина є, завжди.
Код операції можна уявити собі як деякий умовний номер у загальному списку системи команд. В основному цей список побудований у відповідності з певними внутрішніми закономірностями, хоча вони не завжди очевидні.
Адресна частина володіє значно більшою розмаїтістю і її слід розглянути докладніше.
Перш за все відзначимо, що команди можуть бути одно-, двох-і трехадресние в залежності від числа що беруть участь в них операндів.
Перші ЕОМ мали найбільш просту і наочну трехадресную систему команд. Наприклад: взяти числа з адрес пам'яті А1 і А2, скласти їх і суму помістити на адресу A3. Якщо для операції потрібна менша кількість адрес, то зайві просто не використовувалися. Скажімо, в операції перепису вказувалися лише осередку джерела і приймача інформації А1 і A3, а вміст А2 не мало ніякого значення.
Трехадресная команда легко розшифровувалася і була зручна у використанні, але з ростом обсягів ОЗУ її довжина ставала непомірно великою. Дійсно, довжина команди складається з довжини трьох адрес та коду операції. Звідси випливає, наприклад, що для скромного ОЗУ з 1024 осередків тільки для запису адресної частини однієї команди потрібно 3 * 10 = 30 двійкових розрядів, що для технічної реалізації не дуже зручно. Тому з'явилися двохадресна машини, довжина команди в яких скорочувалася за рахунок виключення адреси запису результату. У таких ЕОМ результат операції залишався в спеціальному реєстрі (суматорі) і був придатний для використання в подальших обчисленнях. У деяких машинах результат записувався замість одного з операндів.
Подальше спрощення команди призвело до створення одноадресних машин. Розглянемо систему команд такий ЕОМ на конкретному простому прикладі. Нехай треба скласти числа, що зберігаються в комірках з адресами ОЗУ А1 і А2, а суму помістити в осередок з адресою A3. Для вирішення цього завдання одноадресної машині потрібно виконати три команди:
• витягнути вміст комірки А1 в суматор;
• скласти суматор з числом з А2;
• записати результат з суматора в A3.
Може здатися, що одноадресної машині для вирішення завдання буде потрібно втричі більше команд, ніж трехадресной. Насправді це не завжди так. Спробуйте самостійно спланувати програму обчислення виразу А5 = (А1 + А2) * АЗ/А4 і ви виявите, що буде потрібно три трехадресних команди і всього п'ять одноадресних. Таким чином, одноадресна машина в чомусь навіть ефективніше, тому що вона не виробляє непотрібної запису в пам'ять проміжних результатів.
Заради повноти викладу слід сказати про можливість реалізації безадресної (нуль-адресної) машини, що використовує особливий спосіб організації пам'яті - стік. Розуміння принципів устрою такої машини зажадало б деяких досить докладних роз'яснень. Зараз безадресні ЕОМ практично не застосовуються. Тому обмежимося лише нагадуванням того факту, що влаштована таким чином система команд лежала в основі деяких програмованих мікрокалькуляторів (наприклад, типу «БЗ-21» і «БЗ-34» і їм подібних).
До цих пір в описі структури машинної команди ми користувалися інтуїтивним поняттям про адресу інформації. Розглянемо тепер питання про адресації елементів ОЗУ більш докладно і строго. Найбільш просто була організована пам'ять в ЕОМ перших двох поколінь. Вона складалася з окремих осередків, вміст кожної з яких зчитуються або записувалося як єдине ціле. Кожна комірка пам'яті мала свій номер, який і отримав назву адреси. Очевидно, що адреси сусідніх осередків ОЗУ є послідовними цілими числами, тобто відрізняються на одиницю. У аналізованих ЕОМ використовувалися дані тільки одного типу (дійсні числа), причому їх довжина дорівнювала довжині машинної команди і співпадала з розрядністю пам'яті і всіх інших пристроїв машини. Для прикладу зазначимо, що осередок типовою ЕОМ другого покоління складалася з 36 двійкових розрядів.
Дуже часто програма призначалася для обробки за одними і тими ж формулами певної кількості вмісту послідовно розташованих осередків (в мовах високого рівня такого роду структури отримали згодом назву масивів). У комп'ютери перших двох поколінні були передбачені особливі механізми циклічної обробки масивів інформації. З цією метою в машинних командах крім звичайних адрес можна було використовувати модифікуються, у яких спеціальний керуючий біт був встановлений в одиницю. До поміченим таким чином, модифікуються адресами при виконанні команди додавалося значення зі спеціальних індексних осередків. Змінюючи вміст індексних осередків, можна було отримувати доступ до різних елементів масиву. Особливо підкреслимо, що формування результуючого адреси здійснювалося в УУ в момент виконання команди, тому вихідна команда в ОЗУ зберігалася без змін.
Описаний механізм модифікації адрес істотно спрощував написання циклічних програм, таких як знаходження суми послідовних комірок ОЗУ, копіювання окремих ділянок пам'яті і т.п.
У ЕОМ третього покоління ідеологія побудови пам'яті істотно змінилася: мінімальна порція інформації для обміну з ОЗУ була встановлена рівною 8 двійкових розрядів, тобто один байт. Стало можливим обробляти кілька типів даних: символи тексту (1 байт), цілі числа (2 байти), дійсні числа звичайної або подвійної точності (4 або 8 байт відповідно). У зв'язку з цим була введена нова умовна одиниця виміру інформації - машинне слово. Воно дорівнювало 4 байтам і відповідало довжині стандартного дійсного числа. Всі об'єми інформації почали вимірюватися в одиницях, кратних речі: подвійне слово, півслова і т.п. Природно, що адреса (номер комірки ОЗП) в машинах з байтовой організацією став ставитися до окремого байту; байти пам'яті мають зростаючі на одиницю номера. Слово складається з декількох послідовно розташованих байтів. В якості адреси слова зручно приймати адресу одного з утворюють його байтів (зазвичай використовується молодший байт, що має найменший номер). Таким чином, адреси слів змінюються вже не через одиницю; їх приріст залежить від довжини машинного слова в байтах і дорівнює чотирьом.
Розмір машинного слова був, мабуть, вибраний виходячи з форматів оброблюваної інформації, а не у зв'язку з розрядністю будь-яких пристроїв. Для підтвердження цього наведемо кілька фактів про типові ЕОМ третього покоління із сімейства ЄС. Арифметико-логічний пристрій моделі «ЄС-1022» мало 16 двійкових розрядів, «ЄС-1033» - 32 розряду, а «ЄС-1050» - 64 розряду. У той же час за одне звернення до оперативної пам'яті в «ЄС-1022» і «ЄС-1033» вибиралося 4 байти, в «ЄС-1050» - 8 байт (а в «ЄС-1045» - 16 байт). Таким чином, різноманітність цифр свідчить, що 32 розряду (4 байти) не були якимось технічно виділеним об'ємом інформації.
У машинах третього покоління з'явилися і ще кілька особливостей: різна довжина команд залежно від способу адресації даних, наявність спеціальної сверхоперативной реєстрової пам'яті, обчислення ефективного адреси ОЗУ як суми кількох регістрів і т.п. Все це дістало подальший розвиток в комп'ютерах четвертого покоління, для яких розрядність мікропроцесора стала однією з найважливіших характеристик. Розгляд особливостей будови пам'яті ЕОМ четвертого покоління відкладемо до наступного розділу.
Висновок
Спочатку роботи була поставлена мета вивчити архітектуру ЕОМ. У результаті можна зробити ряд висновків.
По-перше, визначив поняття архітектури ЕОМ. «Архітектура-це найбільш загальні принципи побудови ЕОМ, що реалізують програмне управління роботою і взаємодією основних її функціональних вузлів».
По-друге, вивчив навчальну літературу на тему «Архітектура ЕОМ».
По-третє, вивчив розвиток внутрішньої структури ЕОМ. Внутрішня структура обчислювальної техніки постійно вдосконалювалася, і буде вдосконалюватися. Разом з тим, на даний момент переважна більшість існуючих ЕОМ, незважаючи на наявні відмінності, як і раніше складається з однакових вузлів і засновано на загальних принципах фон-неймановскої архітектури.
Список літератури
А.В. Могильов, Н.І. Пак, Є.К. Хеннер Інформатика: - М., 1999; 816 с.
Частика А.П. Журнал «Інформатика і освіта», 1996.
Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. Від абака до комп'ютера. - М.: Знання, 1975.
Лін В. PDP -11 і VAX -11. Архітектура ЕОМ та програмування на мові асемблера. - М.: Радіо і зв'язок, 1989.
Сміт Б.Е., Джонсон М.Т. Архітектура та програмування процесора INTEL 80386. - М.: Конкорд. 1992.
«Довідник необхідних знань» / Кондрашов, Москва: 2000. - 608-613 с.