Функциональная и структурная организация ЭВМ.

Триггеры

Это элемент памяти. Устройство способное запоминать, хранить и т.п. информацию.

RS триггеры состоят из двух вентилей, один вентиль это или не , второй и не.

RS триггер запоминает на какое его вход подавался сигнал равный единице в последний раз. Если сигнал подавался на S вход, тогда триггер хранит еденицу. Если сигнал подавался на R вход, тогда триггер хранит нуль.

0 1 1 - устанавл. 1

1 0 0 - устанавл 0

1 1 - недопускается

Соединив сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматоры для двоичных чисел с любым количеством разрядов.

Сумматоры и полусумматоры это однотактные логические схемы. Триггеры –многотактовые.

Регистры – предназначены для записи, хранения и преобразования записанных в них чисел.В качестве элементарной ячейке регистра используется триггер.

Счётчик – узел предназначенный для полсчёта числа сигналов на входе, и фиксации результатов в двоичном коде.

Это абстрактная модель описывающая возможности ЭВМ. Она определяется типом решаемых задач и потребностями в ресурсах и типами задач (память, хар-ки процессора).

Структурная организация ЭВМ – это физиуеская модель, устанавливающая порядок и взаимоствязи компонентов и блоков.

Командой называется совокупность информации, в виде двоичного кода, занимающие определенные поля необходимые процессору, для выполнения требуемых действий.

Формат команды обговорённая структура её полей, кода, включает код операции и адреса операндов, и адрес результата.

Коп

А1

А3

Коп

А1

А2

А3

Коп. ß--- а3---à

Способы адресации: адресный и ассоциативный(поиск по содержанию).Ассоциативный – просмотр всех ячеек для выявлении кодов содержащие команду.

Адресный поиск– информация, извлекается из памяти по номеру содержащемуся в адресной ячейке. По виду бывает явной и неявной. Явная – ячейки адресного кода не содержит. Неявная адресация используется при стековой адресации.

Стек пуст запись запись чтение В чтение А стек пуст

Стек – группа последовательных ячеек памяти или регистров. Адрес обращения стека отсутствует, и формируется схема управления по следующему правилу. Для чтения или записи доступен только один регистр, одна ячейка - вершина стека. Последний записанный регистр будет считаться первым.

Автоиндексная адресация – применяется в современных компьютерах. Содержимое регистровой памяти или увеличивается или уменьшается, до или после выполнения операции, на постоянно определённую, заданную величину. Этот вид используется при обработки больших массивов данных.

Принцип академика Глушкова.

Универсальное устройство в обработки информации (1956 год). Состоит из регистров, сумматоров и других узлов, позволяющих принимать хранить и преобразовывать информацию. Процесс функционирования во времени устройства обработки информации состоит из последовательности тактовых интервалов, в которых операционный блок производит определённые операции, выполнение этих операций происходит по управляющим сигналам.

Микропрограмма – последовательность микрокоманд, обеспечивающие выполнение операции.

Микрокоманда – последовательность управляющих сигналов.

Основной цикл работы ЭВМ

В данном разделе коротко рассмотрена последовательность действий при выполнении команды в ЭВМ. Можно утверждать, что рабочий цикл в общем виде одинаков для всех фон-неймановских машин.

Система команд ЭВМ и способы обращения к данным

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком (“машинном”) уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.
2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (последнее в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).
5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.
6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят немногочисленные операции по управлению процессором -типа “останов” или НОП (“нет операции”). Иногда их выделяют в особую группу.

С ростом сложности устройства процессора увеличивается и число команд, воздействующих на них. Здесь для примера можно назвать биты режима работы процессора и биты управления механизмами прерываний от внешних устройств.

В последнее время все большую роль в наборе команд играют команды для преобразования из одного формата данных в другой (например, из 8-битного в 16-битный и т.п.), которые заметно упрощают обработку данных разного типа, но в принципе могут быть заменены последовательностью из нескольких более простых команд.

Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором - RISC (Reduced Instruction Set Computer). Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически (в одной из популярных статей это в шутку сформулировано в виде следующей наглядной аналогии: “20% населения выпивают 80% пива”). Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации “отброшенных” команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования. Подробнее вопросы, связанные с системой команд современных микропроцессоров, будут рассмотрены ниже в этой главе.

Подводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команд довольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения.

Основной цикл работы ЭВМ

Как уже отмечалось в п.2, важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);
2) счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды);
3) считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания (см. ниже в п. 3.5), все описанные действия циклически повторяются.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес (именно так происходит условный или безусловный переход).

В компьютерах на базе микропроцессоров INTEL 80286 и более поздних моделей для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации (иногда применяется термин “опережающая выборка”). Идея состоит в том, что несколько внутренних устройств процессора работают параллельно: одно считывает команду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается, что следующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготовлена к исполнению. Отметим, что в случае нарушения естественного порядка выполнения команд в программе (например, при безусловном переходе) опережающая выборка оказывается напрасной и конвейер очищается. Следующая за переходом команда выполняется дольше, так как, чтобы конвейер “заработал на полную мощность”, необходимо его предварительно заполнить. Иными словами, в конвейерной машине время выполнения программы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от их взаимного расположения.

Cпособы указания адреса расположения информации

Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится. У нескольких немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; операционная часть имеется, всегда.

Код операции можно представить себе как некоторый условный номер в общем списке системы команд. В основном этот список построен в соответствии с определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегда очевидны.

Адресная часть обладает значительно большим разнообразием и ее следует рассмотреть подробнее.

Прежде всего отметим, что команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от числа участвующих в них операндов.

Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить в адрес A3. Если для операции требовалось меньшее число адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и A3, а содержимое А2 не имело никакого значения.

Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Действительно, длина команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части одной команды требуется 3*10 = 30 двоичных разрядов, что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов.

Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в ячейку с адресом A3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется выполнить три команды:

* извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор;
* сложить сумматор с числом из А2;
* записать результат из сумматора в A3.

Может показаться, что одноадресной машине для решения задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения А5 = (А1 + А2)*АЗ/А4 и вы обнаружите, что потребуется три трехадресных команды и всего пять одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов.

Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти -стек. Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов (например, типа “БЗ-21” и “БЗ-34” и им подобных).

До сих пор в описании структуры машинной команды мы пользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперь вопрос об адресации элементов ОЗУ более подробно и строго. Наиболее просто была организована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второго поколения состояла из 36 двоичных разрядов.

Очень часто программа предназначалась для обработки по одним и тем же формулам определенного количества содержимого последовательно расположенных ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получили впоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотрены особые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью в машинных командах помимо обычных адресов можно было использовать модифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу. К помеченным таким образом модифицируемым адресам при выполнении команды прибавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимое индексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива. Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ в момент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась без изменений.

Описанный механизм модификации адресов существенно упрощал написание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательных ячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п.

В ЭВМ третьего поколения идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатывать несколько типов данных: символы текста (1 байт), целые числа (2 байта), вещественные числа обычной или двойной точности (4 или 8 байт соответственно). В связи с этим была введена новая условная единица измерения информации - машинное слово. Оно равнялось 4 байтам и соответствовало длине стандартного вещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах, кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номер ячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относится к отдельному байту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит из нескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобно принимать адрес одного из образующих его байтов (обычно используется младший байт, имеющий наименьший номер). Таким образом, адреса слов меняются уже не через единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах и равняется четырем.

Размер машинного слова был, по-видимому, выбран исходя из форматов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либо устройств. Для подтверждения этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМ третьего поколения из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели “ЕС-1022” имело 16 двоичных разрядов, “ЕС-1033” - 32 разряда, а “ЕС-1050” - 64 разряда. В то же время за одно обращение к оперативной памяти в “ЕС-1022” и “ЕС-1033” выбиралось 4 байта, в “ЕС-1050” - 8 байт (а в “ЕС-1045” - 16 байт). Таким образом, разнообразие цифр свидетельствует, что 32 разряда (4 байта) не являлись каким-то технически выделенным объемом информации.

В машинах третьего поколения появились и еще несколько особенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрение особенностей строения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим до следующего раздела.

Работа над ENIAC была в самом разгаре, когда Герман Голдстейн встретился с американцем венгерского происхождения Джоном фон Нейманом, который был консультантом американской секретной программы по созданию атомной бомбы и занимался вопросом о том, как повысить счетные мощности для решения необходимых дифференциальных уравнений. В результате этой встречи Нейман, известный достижениями от разработки теории игр до вклада в создание ядерного оружия, начинает сотрудничать с рабочей группой ENIAC. Они вместе разрабатывают проект новой вычислительной машины, которая, во-первых, работает исключительно на электронных схемах, а во-вторых, программа вводится в нее не на бумажной ленте, а с помощью перфокарты, которая затем кодируется в виде пригодных для обработки символов и сохраняется в централизованной памяти. Даже сами изобретатели не сразу осознали ценность этого принципа, который не только позволяет вносить в программу изменения - эти изменения может вносить само вычислительное устройство.

Во время работы над EDVAC в 1945 г. между его разработчиками произошел крупный конфликт. Дело в том, что EDVAC стал базой для третьей масштабной теоретической работы по вычислительной технике (первая, описание “аналитической машины», принадлежала Чарльзу Бэббиджу, вторая - Алану Тьюрингу). Но ни Мочли, ни Эккерт не смогли обобщить свои знания и абстрагироваться от радиоламп и электронных схем. Может быть, они пренебрегали этим по соображениям секретности, может быть, физики не снизошли до строгого математического изложения. Фон Нейман же написал “Предварительный доклад о машине EDVAC », в котором детально изложил логическую организацию и общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Доклад был разослан многим ученным из разных стран и получил широкую известность (поэтому конструкторам ENIAC не удалось впоследствии запатентовать свой проект).

Фон Нейман был широко известен как выдающийся математик, и научная общественность приписала ему все идеи, лежащие в основе этой машины. В обиход вошло выражение “машина фон Неймана» (т.е. компьютер). Нейман нашел путь подключения рабочей программы не проводами или другими соединениями, а интегрированием ее в память машины в закодированном виде. Именно Нейман и придумал схему, которой до сих пор следуют все цифровые компьютеры. В общем виде схема представлена на рисунке. Сплошные стрелки -- это управляющие связи (по ним идут сигналы управления), а пунктирные стрелки -- это информационные связи (по ним идут данные, информация). К устройствам ввода/вывода относятся клавиатура, мышь, монитор, дисковод, CD ROM, принтер, сканер, микрофон, звуковые колонки, плоттер и т.д.

Компьютер должен иметь:

· арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции. В наше время это устройство называется центральный процессор. Центральный процессор (central processing unit) - микропроцессор компьютера, представляющий собой микросхему, которая управляет всеми процессами, происходящими в компьютере;
· устройство управления, которое организует процесс выполнения программ. В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор;
· запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных;
· внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера представляет собой некоторое количество пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

Принцип работы:

· С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.
· Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:
- o выполнение логических или арифметических операций;
- o чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
- o запись результатов в память;
- o ввод данных из внешнего устройства в память;
- o вывод данных из памяти на внешнее устройство.
· Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.
· Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.
· Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Один из принципов "Архитектуры фон Неймана" гласит: в компьютере не придется изменять подключения проводов, если все инструкции будут храниться в его памяти. И как только эту идею в рамках “архитектуры фон Неймана» воплотили на практике, родился современный компьютер.

Как всякая техника, компьютеры развивались в сторону увеличения функциональности, целесообразности и красоты. Есть вообще утверждение, претендующее на закон: совершенный прибор не может быть безобразным по внешнему виду и наоборот, красивая техника не бывает плохой. Компьютер становится не только полезным, но и украшающим помещение прибором. Внешний вид современного компьютера, конечно, соотносится со схемой фон Неймана, но в то же время и разнится с ней.

Благодаря фирме IBM идеи фон Неймана реализовались в виде широко распространенного в наше время принципа открытой архитектуры системных блоков компьютеров. Согласно этого принципа компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоящим из независимо изготовленных частей, причем методы сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмы-производителя, а доступны всем желающим. Таким образом, системные блоки можно собирать по принципу детского конструктора, то есть менять детали на другие, более мощные и современные, модернизируя свой компьютер (апгрейд, upgrade -- "повышать уровень"). Новые детали полностью взаимозаменяемы со старыми. «Открыто архитектурными» персональные компьютеры делает также системная шина, это некая виртуальная общая дорога или жила, или канал, в который выходят все выводы ото всех узлов и деталей системного блока. Надо сказать, что большие компьютеры (не персональные) не обладают свойством открытости, в них нельзя просто так что-то заменить другим, более совершенным, например, в самых современных компьютерах могут отсутствовать даже соединительные провода между элементами компьютерной системы: мышью, клавиатурой ("keyboard"- "клавишная доска") и системным блоком. Они могут общаться между собой при помощи инфракрасного излучения, для этого в системном блоке есть специальное окошко приема инфракрасных сигналов (по типу пульта дистанционного управления телевизора).

В настоящее время обычный персональный компьютер представляет собой комплекс, состоящий из:

· основной электронной платы (системной, материнской), на которой размещены те блоки, которые осуществляют обработку информации вычисления;
· схем, управляющих другими устройствами компьютера, вставляемых в стандартные разъемы на системной плате - слоты;
· дисков хранения информации;
· блока питания, от которого подводится электропитание ко всем электронным схемам;
· корпуса (системный блок), в котором все внутренние устройства компьютера устанавливаются на общей раме;
· клавиатуры;
· монитора;
· других внешних устройств.

Архитектура фон Неймановского типа (по имени математика Джона фон Неймана) наиболее широко используется в цифровых вычислительных машинах и лежит в основе почти всех видов архитектуры микропроцессоров. Архитектура фон Неймана определяет тип взаимодействия между управлением и памятью. Управляющая часть работает на основе последовательности команд, называемой программой, которая хранится в памяти. Каждая команда состоит из двух частей: оператора и операнда. Оператор указывает, какую именно операцию должен выполнить процессор (арифметическую, логическую или операцию управления), а операнд данные или адрес в памяти, над которым должна быть выполнена операция.

архитектура нейман программа двоичный

Джон фон Нейман

Работа вычислительной машины фон Неймана заключается в выполнении последовательности команд, которые соответствуют операциям, подлежащим выполнению системой. Поскольку блок управления и память активно взаимодействуют между собой, предусматриваются специальные аппаратные средства, которые позволяют ускорить процесс пересылки данных и команд. К этим средствам относятся: регистр команд, счетчик команд, накопитель, арифметическо-логическое устройство (АЛУ).

Регистр команд, счетчик команд и накопитель явля ются основными элементами одного из блоков вычислительной машины - “памяти”. Это регистры или ячейки памяти, емкость которых в двоичных разрядах равна длине машинного слова. Регистр команд хранит ту команду, которую компьютер должен выполнить вслед за текущей, а адрес последующей команды хранится в счетчике команд. Накопитель хранит данные для обработки или принимает данные после нее.

Арифметическо-логическое устройство выполняет заданные арифметические или логические операции над указанными в команде данными.

Эти аппаратные средства соединяются друг с другом посредством одной или нескольких шин. Шина - это электрическое соединение между несколькими точками, которые могут быть источниками или приемниками сигналов (ее можно сравнить с транспортным средством, которое принимает и высаживает пассажиров). Длина слова микро-микрокомпьютера обычно составляет 4, 8, 16 бит и т. д.

Шина соединяет регистры и АЛУ с памятью и устройствами ввода - вывода. В архитектуре с одной шиной каждое устройство, подключенное к шине, пользуется ею вместе с другими устройствами, и поэтому ему выделяется определенный интервал времени для передачи информации по шине другому устройству или для принятия информации от него. Это временное мультиплексирование шины осуществляется аппаратной схемой управления шиной и синхронизируется блоком управления вычислительной машины.

Блок управления выполняет основные функции контроля и синхронизации всех других блоков вычислительной машины. Вычислительные системы обычно представляют собой последовательностные цифровые схемы, которые синхронизируются посредством стандартного тактового сигнала, передаваемого по всей системе.

Каждый элемент вычислительной машины разрабатывается таким образом, что он совершает последовательность каких-то действий после заданного числа тактовых импульсов. Регистр команд передает следующую команду на дешифратор команд, который интерпретирует поступающий набор разрядов и выдает соответствующие приказы как на блок управления машинным циклом, так и на АЛУ. Блок управления машинным циклом декодирует эти приказы, выдавая в память и на управляющие выходы соответствующие сигналы. Таким образом, работа других компонентов системы может быть синхронизирована с работой АЛУ. Память (это может быть оперативная память с произвольной выборкой или внутренний машинный регистр) должна также получить указания о том, какие данные нужны для обработки.

Архитектура ПК. Основные принципы работы ЭВМ.

Компьютером называется электронное устройство, способное автоматически выполнять заданную программой последовательность действий по приему, хранения, преобразованию и выдаче информации.

Под архитектурой вычислительной системы понимают наиболее общие принципы ее построения, принципы действия, взаимные соединения и взаимодействие основных функциональных узлов, организацию памяти и систему команд. Вопросы организации памяти и системы команд в курсе информатики не рассматриваются.

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Джона фон Неймана, Г. Голдстейга и А. Беркса в 1964г и известны как «принципы фон Неймана»

Эти принципы следующие:

- Двоичное кодирование всей используемой информации: любые данные в компьютере (числа, текст, звук, картинки) представляются как последовательность нулей и единиц.
- Произвольный доступ к ячейкам оперативной памяти: компьютер должен иметь специальное устройство - оперативную память - где хранятся работающие программы и обрабатываемые данные; память разделена на ячейки, каждая ячейка имеет адрес (номер), по этому адресу можно в любой момент прочитать информацию из ячейки либо записать туда информацию
- Принцип хранимой программы: Параграмма должна храниться в памяти компьютера в двоичном виде; также как и данные. Этот принцип сейчас кажется абсолютно очевидным, но в первых ЭВМ он не использовался. Чтобы задать порядок выполнения операций, надо было соединить элементы логических схем компьютера в определенном порядке с помощью установки проводов-перемычек. Использования принципа хранимой программы позволило значительно повысить эффективность использование компьютеров
- Принцип последовательного выполнения операций: Программа состоит из последовательности команд. Каждая команда хранится в одной (или нескольких) ячейках памяти в двоичном виде. Компьютер начинает выполнять программу, т.е. выбирает значение, хранящееся в определенной ячейке памяти, и выполняет соответствующую этому значению команду. Затем компьютер выполняет команду, хранящуюся в следующей ячейки памяти, и так продолжается до тех пор, пока в одной из ячеек не встретится команда остановки или перехода какой-то другой ячейке памяти.

В составе любого компьютера можно выделить следующие функциональные блоки:

- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все операции по преобразованию данных. На самом деле любые преобразования раскладываются на элементарные действия, для реализации которых достаточно арифметических (сложение, вычитание, умножение, деление) и логических (И, ИЛИ, НЕ) операций.
- Устройство управления (УУ) - управляет всеми устройствами компьютера. АЛУ и УУ в совокупности составляют центральный процессор ЦП.
- Оперативная память - хранит программу и данные. Память состоит из отдельных ячеек; обычно одна ячейка памяти может хранить один байт. Каждая ячейка имеет номер (адрес), по которому можно «обратиться» к ней для записи и чтения данных.
- Устройства ввода - принимают информацию от пользователя (или от каких-то внешних устройств - датчиков, антенн и т.д.) и преобразуют ее форму, удобную для обработки на компьютере.
- Устройства вывода - преобразуют хранящуюся и обрабатываемую на компьютере информацию в формы, удобные для восприятия человеком.

Первые ЭВМ строились в соответствии с фон-Неймановской структурой, которую можно представить следующим образом: (толстыми линиями обозначены информационные связи, тонкими - управляющие сигналы)

Как видно по схеме, устройство управления связано с каждым из устройств отдельным каналом, по которому передаются управляющие сигналы. Каждое из внешних устройств связано отдельным каналом информационного обмена с АЛУ. Из АЛУ данные уже могут записываться в память; а также данные могут читаться из памяти в АЛУ.

Такая структура, когда для связи с каждым устройством используется отдельный канал, делала сложным изменение конфигурации ЭВМ, в частности, подключение новых внешних устройств.

Современные ПК построены по магистрально - модульному принципу. Это означает, что все кстройства подключены к единой магистрали (набору кабелей). Причем подключение всех устройств осуществляется с помощью стандартных разъемов, а параметры электрических сигналов, которые используют устройства для управления и обмена данными, также стандартизованы. Т.е. все устройства «общаются по одним и тем же правилам». Это дает возможность пользователю изменять комплектность ПК путем замены, удаления или добавления блоков-модулей.

Структуру ПК можно представить следующим образом:

Здесь ЦП - центральный процессор; включает в себя устройство управления и арифметико-логическое устройство. ЦП управляет работой всех устройств компьютера и выполняет все операции по обработки данных.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (оперативная память); хранит программу и данные, обрабатываемые в текущий момент времени. При выключении питания содержимое ОЗУ теряется.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; хранит программы, которые выполняются при начальной загрузке (включении) компьютера, а так же некоторых других важные программы. Информация в ПЗУ сохраняется при выключении питания. Первые ПЗУ действительно были «постоянными», т.е. записать в них информацию можно было только один раз. Современные ПЗУ являются перепрограммируемыми, поэтому хранящуюся в них информацию можно обновлять.

ВУ - внешние устройства, среди которых выделяют:

o устройства ввода (например, клавиатура);
o устройства вывода (например, принтер)
o устройства обмена данными (например, модем)
o устройства чтения/записи и хранения информации (например, дисководы и флэшки)

С точки зрения архитектуры ПК, жесткий диск (винчестер) также является внешним устройством. Но он играет такую важную роль, что на схеме выделен отдельно. На винчестере хранятся программы (в первую очередь операционная система) и данные.

Каждое внешнее устройство управляется контроллером - специальным устройством управления. Контроллер является «посредником» между быстро работающим ЦП и медленно работающим ВУ. Например, получив команду от процессора на распечатку текста, контроллер переводит ее в последовательность элементарных команд, которые должен выполнить принтер: подать бумагу, нагреть тонер, электризовать барабан, распылить краску, прижать бумагу и т.д. Процессор в это время может решать другие задачи. Таким образом, использование контроллеров повышает производительность компьютера.

Кроме того, для управления внешними устройствами необходимы специальные программы - драйверы.

Современные ПК построены по принципу «открытой архитектуры». Это значит, что стандарты на разъемы, параметры сигналов и правила обмена модулей друг с другом являются открытыми, и любая фирма может производить оборудование в соответствии с этими стандартами. Это обеспечивает большое разнообразие внешних устройств и отдельных модулей ПК, но все они совместимы друг с другом.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком ("машинном") уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

1. Команды передачи данных (перепись) , копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции , которым фактически обязана своим рождением вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (последнее внутри процессора чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции , позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. После выполнения такой команды, с помощью условного перехода ЭВМ способна выбрать дальнейший ход выполнения программы. Простейшими примерами команд рассматриваемой группы могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия), описанные ранее в п.1.4. Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

6. Команды управления , реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: любой цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов.

Часто к этой же группе команд относят операции по управлению процессором типа останов или НОП - нет операции. Иногда их выделяют в особую группу. С ростом сложности устройства процессора количество такого рода команд увеличивается.

Любая команда ЭВМ обычно состоит из двух частей - операционной и адресной . Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП ) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится и куда поместить результат. У некоторых немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; операционная часть имеется всегда.

Адресная часть обладает значительно большим разнообразием и ее следует рассмотреть подробнее.

Прежде всего отметим, что команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от количества возможных операндов.

Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить в адрес А3. Если для операции требовалось меньшее количество адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и А3, а содержимое А2 не имело никакого значения.

Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Действительно, длина такой команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части требуется 3*10=30 двоичных разрядов, что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре ) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов.

Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в адресах ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в А3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется выполнить три команды:

извлечь содержимое ячейки А1 в сумматор;
сложить сумматор с числом из А2;
записать результат из сумматора в А3.

Может показаться, что одноадресной машине для решения задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом деле это далеко не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу вычисления выражения Y=(X1+X2)*X3/X4 и вы с удивлением обнаружите, что потребуется 3 трехадресных команды и всего 5 одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, т.к. она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов.

Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нульадресной) машины, использующей особый способ организации памяти - стек . Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений; в то же время сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов типа "Б3-21" и "Б3-34" и им подобным.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд, поэтому далее рассмотрим этот вопрос.

Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага.

В коде команды выделяются определенные разряды (поля) для размещения сведений:

О типе операции,

Адресов ячеек оперативной памяти, в которых хранятся обрабатываемые данные,

Адреса ячеек памяти, куда будет записываться результат выполнения операции.

Заранее обговоренная структура полей, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода команды называется Форматом команды .

Примеры форматов команд приведены на рисунке 5.

Рисунок 5

Главным элементом кода команды является код операции (КОП), что определяет, какие действия будут выполнены по данной команде. Под него выделяется N старших разрядов формата.

В остальных разрядах размещаются А1 и А2 - адреса операндов, А3 - адрес результата.

Распределение полей в формате команды может изменяться при смене способа адресации.

Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на безадресные; одно-, двух-, трехадресные.

Вспомним, что в коде команды содержится информация о данных, над которым нужно совершить некоторую операцию. Эти данные называют операндами. Обычно операнды содержатся в оперативной или регистровой памяти ЭВМ. Способ поиска операндов в памяти также определяет формат команды.

Существуют 2 различных принципа поисков операндов в памяти: ассоциативный и адресный:

- Ассоциативный поиск (поиск по содержанию запоминающей ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кода, содержащего заданный командой ассоциативный признак.

- Адресный поиск предполагает, что операнд находится по адресу, указанному в адресном поле команд.

Различают исполнительный адрес операнда и адресный код команды.

Исполнительным адресом операнда называется двоичный код номера ячейки памяти, по которому будет записан или считан операнд.

Адресным кодом команды называется двоичный код в адресном поле команды, с помощью которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда. В ЭВМ адресный код и исполнительный адрес не совпадают, поэтому способ адресации можно определить, как способ формирования исполнительного адреса по адресному коду команды.

Эти понятия в дальнейшем будем использовать в описании способов адресации к операндам.

Способы адресации к операндам в зависимости от типа поиска операндов в памяти классифицируют:

1) по наличию адресной информации в команде на:

- явную адресацию. При таком способев коде команде есть поле адреса операнда;

- неявнуюадресацию. При таком способе адресное поле в команде отсутствует, а адрес операнда подразумевается кодом операции. Например, из команды может быть исключен адрес приемника адресата, при этом подразумевается, что результат записывается на месте второго операнда.

2) по кратности обращения в оперативную память:

- непосредственную адресацию (direct addressing). При непосредственной адресации операнд располагается непосредственно в адресном поле команды (рисунок 6).

Рисунок 6

- прямую адресацию (immediate addressing). При прямой адресации обращение за операндом производится по адресному коду в поле команды. При этом исполнительный адрес совпадает с адресом кода команды. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 7).

Рисунок 7

- косвенную адресацию (indirect addressing). При косвенной адресации код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится не сам операнд, а его адрес, называемый указателем. Это можно проиллюстрировать следующим рисунком (рисунок 8).

Рисунок 7

3) по способу формирования адресов ячеек памяти:

- Абсолютная адресация предполагают, что двоичный код адреса ячейки памяти может быть целиком извлечен либо из адресного поля команды, либо из какой-нибудь другой ячейки в случае косвенной адресации.

- Относительная адресация предполагают, что двоичный код операнда образуется из нескольких составляющих:

Б - код базы;

И - код индекса;

С - код смещения.

Эти составляющие используются в различных сочетаниях.

Виды относительной адресации:

Рисунок 9

Для формирования адреса операнда используется регистровая память.

Адрес i -операнда в массиве определяется как сумма начального адреса массива операнда, задаваемого смещением S, и индекса i , записанного в одном из регистров регистровой памяти, называемым индексным регистром.

Адрес индексного регистра задается в команде полем адреса индекса Аи.

В каждом i-том цикле содержимое индексного регистра изменяется на постоянную величину, как правило, это 1.

Для работы программ с массивами, требующими однотипных операций над элементами массива, удобно использовать такой тип адресации

2) Автоиндексная адресация. При автоиндексации косвенный адрес, находящийся в регистре РП, автоматически увеличивается (автоинкрементная адресация), или уменьшается (автодекрементная адресация) на постоянную величину до или после выполнения операции.

3) Стековая адресация . Стековая память широко используется в современных ЭВМ. Хотя адрес обращения в стек отсутствует в команде, он формируется схемой управления (рисунок 9):

Рисунок 9

Для чтения записи доступен только один регистр - вершина стека.

Этот способ адресации используется, в частности, системой прерывания программ при вызовах подпрограмм.

Стековая память реализуется на основе обычной памяти с использованием указателя стека и автоиндексной адресации. Логически ячейки памяти, отводимые под стек, организованы так, чтобы считывание последнего записанного адреса производилось первым, а первого записанного адреса производилось последним. Такая логическая организация формируется специальным счётчиком. Этот счётчик называется указателем стека SP – это регистр микропроцессора. Ячейка памяти, в которую в данный момент может быть записан, например адрес возврата из подпрограммы, называется вершиной стека . Количество ячеек памяти, предназначенных для организации стека, называется глубиной стека . Последняя ячейка памяти, в которую можно производить запись называется дном стека . Запись в стек производится с использованием автодекрементной адресации, а чтение - с использованием автоинкрементной адресации (рисунок 10).

Рисунок 10

Пример. Вызов подпрограммы, написанной на языке С.

В языке С подпрограммы называются функциями. Функция может иметь аргументы и локальные переменные, т. е. переменные, существующие только в процессе выполнения функции. Предположим, функция зависит от двух входных аргументов х и у целого типа и использует три локальные переменные а, b и с также целого типа. Функция возвращает целое значение.

Подпрограмма:

Основная программа:

Например, в определённом месте программы вызывается функция f с аргументами х = 2, у = 3. Вызывающая программа помещает фактические значения аргументов х и у функции f в стек, при этом наверху стека лежит первый аргумент функции, под ним - второй аргумент. При выполнении инструкции вызова функции вверх стека помещается также адрес возврата. В начале работы функции f стек имеет следующий вид:

Перед выполнением функция f должна захватить в стеке область памяти под свои локальные переменные а, b, с.

Множество реализуемых машинных действий образует её систему команд .

Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком (“машинном”) уровне они имеют много общего.

Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:

1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.

Обмен между регистрами процессора,

Процессора и оперативной памятью,

Процессора и периферийными установками.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим операциям обычно относятся сложение и вычитание (последняя чаще всего сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным алгоритмам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Например, операции сравнение или известные логические операции И, ИЛИ, НЕ. Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего относят условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят немногочисленные операции по управлению процессором – типа «останов» или НОП («нет операции»). Иногда их выделяют в особую группу.

Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором – RISC (Reduced Instruction Set Computer). Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически. Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации “отброшенных” команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования.

Одно определение понятия процессора было дано во введении.

Процессор – функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информационных потоков на основе принципа программного управления.

Процессор выполняет функцию выполнения программ (помещаются в ОЗУ) путем выборки, проверки и последовательного выполнения действий, предписанных командами. По-другому: процессор исполняет предписанные командами действия над кодированной информацией в соответствии с программами.

В современных компьютерах процессор (ядро ЭВМ) есть не формальное объединение АЛУ и ЦУУ, а результат развития структуры ЭВМ, призванный обеспечивать высокое быстродействие и широкие функционально-логические возможности обработки информации. В частности, появление новых ЭВМ привело к необходимости появления компьютере и в процессоре

1) системы прерывания;

2) новых уровней памяти;

3) средств защиты памяти;

4) использования специальных типов индексации, адресации информации;

5) кэш-память команд, ветвлений, предсказаний обменов и т.д.;

6) специальных процедур управления вычислительным процессом

Все эти подсистемы и устройства частично или целиком входят в процессор. Главное же новое структурное явление в процессоре – СОЗУ.

Поэтому ныне процессор имеет более развитую структуру, повторяющую в известном смысле структуру машины фон Неймана.

Но мы не будем касаться новых направлений в организации процессоров. Их осветят в полной мере в курсе «Микропроцессоры».

3.1. Система команд ЭВМ.

Система команд ЭВМ определяется структурой и форматами команд, а также списком (перечнем) команд и способами адресации.

Командой называется некоторым образом кодированная информация, определяющая выработку в ЭВМ последовательностей сигналов, предназначенных для выполнения определенной операции (действия) машины над заданными числовыми и нечисловыми кодами.

Поскольку, в конечном счёте, команда тем или иным образом вводится в ЭВМ и ею воспринимается, то конечный вид команды – цифровой код.

Соответственно, конечной формой программы работы ЭВМ (программу можно определить как специальным образом формализованный алгоритм обработки информации) является программа в кодированных командах.

3.1.1. Структура и форматы команд.

В соответствии с введенным определением команды, структура последней имеет операционную и адресную части (что и над какими данными надо сделать), а также служебную часть, определяющие особенность выполнения данной команды (модификацию) в зависимости от значений тех или иных признаков.

Адрес (адреса), содержащийся в адресной части команды, в наиболее распространенном случае указывает номер ячейки ОЗУ, в которой записано (хранится) участвующее в операции число (его код) – слагаемое, множимое, делимое и т.д., код нечисловой информации (адрес, строка символов, состояние устройства и т.д.) Обобщённо и для простоты обычно говорят: в ЗУ хранятся операнды.

Однако, если говорить о команде как о предписании, то наиболее полная его форма должна указывать не только адреса всех чисел, участвующих в операции, но и адрес ячейки, в которую следует поместить результат, а также адрес источника следующей команды. Это перечисление подводит к необходимости иметь в команде четыре адреса.

И на самом деле, такие четырехадресные команды существуют. С такого «формата» команды «стартовали». Но адресов в команде может быть и меньше, и больше!

Адрес источника следующей команды может отсутствовать, поскольку программу (последовательность команд) наиболее естественно и целесообразно размещать в некотором массиве рядом расположенных ячеек ЗУ. И если команды записаны последовательно (от номера 1 до номера n), то весьма просто аппаратно (счетчиком!) реализовать смену адреса ячейки-источника очередной команды. Заметим, что такой порядок выборки называется естественным , тогда как при задании адреса команды в команде порядок выборки именуется принудительным . Заметим также, что использование естественного порядка выборки команд приводит к необходимости введения специальных команд, изменяющих порядок вычислений (путём изменения содержимого счетчика номеров ячеек команд). Это необходимо для обеспечения алгоритмической вычислимости. При принудительном порядке выборки специальные команды не нужны, т.к. каждая команда «меняет» порядок выборки .