9 Решение любых задач записывается в виде алгоритма, записанного в терминах машинных команд машинная программа
|
Скачать 1.43 Mb.
|
|
1. Принципы программного управления. Обобщенная структура ЭВМ с архитектурой фон-Неймана. Принцип программного управления (ППУ). В основу функционирования всех систем положен ППУ. Он опирается на несколько положений. В основе ППУ лежит представление алгоритма в форме операторной схемы, которая задает правила вычислений, как последовательность операторов двух типов: 1) обеспечивающих преобразование либо перемещение информации; 2) анализирующих информац. с целью определения порядка выполнения операций. Применительно к ВМ получил способ реализации ППУ Фон Нейман в 1945 г. Фон-неймановские принципы: 1) Вся информация кодируется 2ми кодами 2) В устройстве эти коды группируются в слова определенной разрядности. 3) Вся информация кодируется 2ми кодами и внешний вид кода не связан с кодируемой информацией. Конкретная информация определяется контекстом 4) Набор операций кодируется 2ми кодами и это – машинные команды. От данных по внешнему виду не отличаются 5) Все коды размещены в одной памяти (в гарвардск. архитектуре память разделена) 6) Память – линейная последовательность ячеек от 0 до бесконечности 7) В памяти выполняются действия: хранить информацию, обеспечивать доступ к ячейке при подаче на вход адреса ячейки 8) При обращении к ячейке возможны две операции: чтение с сохранением содержимого, замена содержимого 9) Решение любых задач записывается в виде алгоритма, записанного в терминах машинных команд – машинная программа 10) Задачи решаются путем последовательной выборки команд из памяти в соответствии с машинной программой Устройство Фон Неймана (идеология Фон Неймана)  Машина фон Неймана состоит из ЗУ, АЛУ, УУ, а также устройств ввода и вывода. Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы. Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ). Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода поступают так, как удобно человеку. УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. 1.  УВВ - устройство ввода/вывода 2.  Первая структура IBM System 360. Применялись в машинах по решению инженерных задач. Американцы назвали «пережёвыватели формул». 3. Система с общей шиной   2-ая и 3-я возникли почти одновременно Применялись в машинах для решения задач автоматизации процессов. Мультипрограммный режим – это, когда одновременно на машине выполняется несколько программ. (Обслуживание процессором идет по очереди нескольких программ). Время:
Так выполняется каждая программа по очереди из пакета программ. 2. Сравнение Гарвардской и фон-Неймановской архитектур ЭВМ. + про фон-неймана в предыдущем пункте В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину. В компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти. Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций — это не то же самое, что и нулевой адрес данных. Нулевой адрес инструкций может определяться 24-х битным значением, в то время как нулевой адрес данных может выглядеть как 8-и битный байт, который не являются частью этого 24-х битного значения. Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана – упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры. Судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных. Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы. 3. Обобщенная структура центрального процессора (ЦП). Функционирование ЦП во времени: цикл шины, цикл команд. Функциональная и структурная организация процессора 1) Обобщенный алгоритм функционирования процессора (машины Фон Неймана).  Время прохождения этого кольца называется циклом команды. Время выполнения одной команды описывается характеристиками процессора Последовательность действий, которые выполняет ЦП:
Память выходит во внешний мир группой сигналов:  1) А – кодовая группа, которая называет адресом. Разрядность А определяет число адресуемых ячеек в памяти. Адресное пространство в памяти = 2n. Набор сигналов (проводников) А называют шиной адреса (ША). 2) Данные – кодовая группа, которая извлекается из памяти. Может быть шина данных входных и выходных (DI и DO) сигналов. m – ширина шины данных. В классической модели (Фон Неймана) не может быть выполнено много действий; их всего 3: 1. Хранение информации 2. Запись информации 3. Выдача информации Т.е. здесь одновременно записи и чтения не может быть, следовательно, шина может быть двунаправленной, но в каждый заданный момент времени она передает данные лишь в одном направлении. Те линии, по которым передаются данные, называются шиной данных (ШД). 3) Набор сигналов управления, которые поступают на модуль (С) – их не меньше чем 2 провода: один провод – чтение и запись, другой сигнализация или сигнал чтения и сигнал записи. И еще дополнительный третий провод сигнал разрешения работы. Процессор Обобщенная структура процессора как операционного автомата. ЦП – это та часть, которая выполняет основную программу машины.  Во внешний мир выходит 3 группами сигналов: шина адреса, данных, управления. С точки зрения цифровых автоматов процессор состоит из двух частей: управляющий автомат и операционный автомат. В операционном автомате набор регистров и комбинационная схема. В управляющем автомате генератор пространственно-временных кодов. Внутри ЦП: 
Эта структура ЦП является структурой операционной системы. Блок обработки кодов должен уметь принять команду из внешнего мира и хранить ее в течение времени выполнения команды; имеется регистр команд и устройство дешифрации.  В АЛУ должно быть как минимум две кодовых группы на вход и одна на выход, т.е. исходные данные и результат. В простейшем случае представляет комбинационную схему: 2 входа для операнда А и В. Код операции – определяет конкретные операции кодов, которые поступают. Кроме результата данных АЛУ вырабатывает признаки результата (от 4 до 6 разрядов) – чтобы организовать алгоритм выполнения сложных действий. Признаки нужны для дальнейшего движения по программе. Признаки:
Блок регистров Все регистры можно разделить на 2 группы: 1. программно видимые 2. программно невидимые Программно-видимый регистр – это такой регистр, содержимое которого мы можем изменить с помощью программы, он является частью программной модели машины, с которой мы работаем - это регистры для хранения и явного преобразования данных, кодов и управления. Регистры общего назначения – это регистры, которые в разных ситуациях могут использоваться по разному. Регистры данных, адреса, IP- программный счетчик, SP- указатель стека и т.д. Устройство управления.  Устройство управления - это управляющий автомат. УУ вырабатывает синхроимпульсы в нужное время в нужные места. Задача УУ – выборка управляющих воздействий на основе алгоритма и сигналов состояния объекта УА – управляющий автомат. Т – тактовые импульсы. Управление автоматом можно реализовать с помощью автомата с жесткой логикой. Управляющий автомат генерирует сигнал.  X – обратная связь, Y – сигнал управления, Т – тактовые импульсы. Буферная память
 Многие алгоритмы опираются на стековую память. Общая идея обмана (как бы есть стековая виртуальная память). РА-регистр адреса. Имитация стековой памяти. Временная диаграмма: сначала адрес, данные, сигнал работы. 2 фазы работы ЭВМ (цикла команд). 1) Чтение команды 2) Выполнение команды Эти фазы замкнуты между собой Цикл команды – временной отрезок, в течение которого выполняется цикл алгоритма. Цикл команды, скорее всего величина переменная. Можно построить системы с постоянными циклами команд (управление будет проще, набор команд будет не любой). Первый адрес (пусковой адрес) должен быть где-то заложен (запаян на этапе изготовления), либо задается извне на внешних выводах процессора. Цикл команды процессора - время выполнения одной команды. Совокупность сигналов, которыми процессор выходит во внешний мир, называется шиной. Цикл процессорной шины - некоторое законченное действие по взаимодействию с внешней средой. Циклов шины может быть много. Цикл шины (магистрали) – это совокупность служебных операций передатчика и приемника, необходимых для реализации конкретной процедуры обмена по ОМ между двумя устройствами ЭВМ. Длительность цикла шины (магистрали) – это интервал времени, необходимый для реализации конкретной однократной процедуры обмена по ОМ между двумя устройствами ЭВМ. Основные циклы: чтение памяти, запись в память. Возможные циклы: чтение ввода-вывода, запись во ввод-вывод и т.д. 4. Система команд ЦП: основные типы и форматы. Система команд – набор команд, который процессор умеет выполнять. Считывание команд должно выполнять ряд условий:
Функциональный набор команд для фон Неймановской архитектуры:
Все команды можно разделить на 3 группы:
(пересылка из одной ячейки памяти в другую, команда обмена данными между внутренним регистром и памятью, пересылка регистр<->регистр, работа с ВУ: с регистрами I\O.)
Программа, представленная в виде кодов, называется машинной командой. Формат команды - структура, привязанная к разрядной сетке.
Бывают одноадресные и двухадресные команды. 3-х адресная: A=B*C 2-х адресная: A=A*B 1-адресная: ФМ=ФМ*A Способ адресации – способ указания операндов в команде. Базовыми являются: 1) При прямой адресации код адреса содержится в команде, подлежащей выполнению. Прямая адресация удобна, но удлиняет команды В случае прямой регистровой адресации, адрес является малоразрядным, поскольку число таких регистров мало. В этом случае прямая адресация проявляет все свои достоинства (mov ax,es:0001). 2) При косвенной адресации в команде явно или неявно указывается регистр процессора, содержащий адрес операнда. Команда сохраняет компактность, но для ее выполнения требуется предварительная настройка — загрузка адреса в регистр (регистр косвенного адреса). Косвенная адресация удобна при обработке списков, когда настройка производится однократно, а очередной адрес получается модификацией предыдущего (mov ax, [bx]). 3) При непосредственной адресации в команде содержится сам операнд (mov ax, 2). 5. RISC и CISC процессоры с точки зрения системы команд: общие идеи и сравнительные характеристики. RISC – процессор с сокращенным набором команд CISC – процессор с расширенным набором команд. Требования к RISC:
Такие микропроцессоры уникальны по показателю «число команд в единицу времени». Достижение максимально возможной производительности стало целью разработки RISC процессоров. Практически высокая производительность достигается использованием полноразрядной обработки; конвейерной организуемой арифметики; суперскалярной архитектурой процессора; уменьшением частоты обращения к внешней памяти. В настоящее время полноразрядным словом считается 64 двоичных разряда. Конвейерная организация арифметики, т.е. разбиение операций на последовательность элементарных действий, выполняемых в различные моменты времени позволяет поднять тактовую частоту и включать в состав команд процессора сложные команды, такие как операции с плавающей запятой и др. Смысл суперскалярности заключается в том, что в аппаратуру микропроцессора закладываются средства, позволяющие одновременно выполнять несколько скалярных операций. Проблемы заключаются в том, как осуществить поиск и группировку несвязных команд, параллельно запускаемых на исполнение. Существуют два пути решения проблемы компоновки программ:
2. Чтобы это выполнял программист - программный путь. Возложить функцию формирования на систему подготовки (система подготовки это компилятор и программист). Архитектура процессора с VLIW – проще (все перекладывается на программиста). Системы со сцепленными конвейерами. Блок обработки данных состоит из конвейера. Получается длинный конвейер. В этом случае можно начинать обработку во втором конвейере, не дожидаясь окончания обработки в первом. Исторически процессор и память конкурируют по производительности. Сейчас резкое отставание процессора и памяти (внутреннего мира) от внешнего мира. Время прохождения сигнала проводника становится очень мало, возникает расщепление сигнала (в одном проводнике возникают 2 сигнала) при выключенном приемнике. Приемник еще не принял, а передатчик уже перестал передавать. Идеологический подход к решению проблемы: У высокочастотных ЦП к 1 ГГц внешняя среда (память, плата и т.д.) не успевает за ЦП. Нужно уменьшить число обращений к внешнему миру, тогда внутренние скорости будут определять работу. Пути решения. Как сделать, чтобы внешняя среда успевала за ЦП: 1. Надо из внешней среды брать больше, чем нам надо, т.е. как можно больше за один раз, т.е. увеличить разрядность внешних шин ЦП. 2. Установка внутренней памяти на ЦП (она может быть программно доступна – это набор регистров). Нужно иметь буферную память и отдельную обработку от загрузки, т.е. буфер ждет, а затем передает. 3. Установка КЭШ памяти – это буферная память с автоматическим накоплением наиболее часто используемой информации. КЭШ – она программно не доступна. Повышение внутренних тактовых частот неминуемо порождает проблему взаимодействия с внешней по отношению к процессору памятью. Для того чтобы все рассмотренные ранее в процессоре работали, надо постоянно иметь в процессоре необходимую информацию – набор команд и данных. Достигается это введением в схему средств, обеспечивающих безостановочную работу арифметических устройств:
Эти средства позволяют резко сократить число обращений к внешней памяти, тем самым снижены общие требования по быстродействию внешних схем. Структура RISC процессора КЭШ 2-го уровня предназначен для общения с внешним уровнем. БОД - блок обработки данных.  Функциональный процессор – это процессор обработки сигналов (цифровых сигналов - видеосистема, аудиосистема, оцифровыватель звука, изображения, телефон). Основные достоинства RISC - процессоров:
Недостатки RISC- процессоров:
CISC (англ. Complex instruction set computing - компьютер с комплексным набором команд) - концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:
Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память. Типичными представителями являются процессоры на основе команд x86. Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC. В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд (в случае процессоров типа P6 — до четырёх RISC-команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук. Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU. Недостатки CISC архитектуры
Методика построения системы команд CISC противоположна другой методике - RISC. Различие этих концепций состоит в методах программирования, а не в реальной архитектуре процессора. Практически все современные процессоры эмулируют наборы команд как RISC так и CISC типа. RISC-архитектуры обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с CISC-архитектурами — быстродействием, низкой стоимостью, удобством программирования и т.д. — и практически не имеют недостатков. Существование CISC-процессоров в большинстве случаев объясняется лишь традицией и требованием совместимости со старым программным обеспечением. Впрочем, существует и третий вариант — процессоры, которые по сути являются RISC-процессорами, но эмулируют внешнюю систему команд устаревших процессоров, например, современные процессоры Intel Pentium. 6. Микропрограммные автоматы с принудительной адресацией: общая структура, реализация механизма ветвлений. Принудительная адресация микрокоманды заключается в том, что в каждой микрокоманде указывается адрес следующей микрокоманды. Адрес следующей микрокоманды может задаваться безусловно, независимо от значений признаков (осведомительных сигналов, отображающих текущее состояние операционных блоков процессора) или выбираться по условию, определяемому текущими значениями осведомительных сигналов. Для этого в адресную часть МК кроме адресных полей включаются поля для задания условий (осведомительных сигналов). Принцип микропрограммного управления. Микрооперация – операция (действие) при подаче 1 микроимпульса. Объект управления может допускать одновременное выполнение нескольких микроопераций. Набор микроопераций, выполняемых параллельно называется микрокомандой. Автоматы с жесткой логикой, т.е. алгоритм работы, задается внутренними связями между элементами, т.е. если мы хотим изменить алгоритм, то нужно изменить внутренние связи. Структура цифрового автомата.  (2+триггера - одиночная скорость для любого автомата. 2 - так как имеется 2 ступени (минимум) И или ИЛИ, и наоборот из ИЛИ в И). Автомат с мягкой (программируемой) логикой. Идея построения автомата с микропрограммой:  ЗУМК – ЗУ микрокоманды, в ЗУ лежат микрокоманды. РАМК – регистр адреса микрокоманды. ФАдМК – формирование адреса микрокоманды. С точки зрения формирования адреса все автоматы делятся на: 1) автоматы, построенные на базе счетчика (автомат с естественной адресацией) 2) автомат на базе регистра (с принудительной адресацией) - микропрограмма имеет 2 поля: Y – операционное, А – адресное (адрес следующей команды).  Проблемы возникают с ветвлением.  |
Похожие:
 |
Разработка системы "Автоматизированное решение задач механики" В данном дипломном проекте рассмотрены вопросы автоматизированного решения задач механики. Было рассмотрено решение четырех типов... |
 |
Этапы создания постпроцессора 12 Пpоектиpующая часть модуля adem cam (процессор) готовит последовательность команд обработки в универсальном виде (cldata). Пpогpамма,... |
|
Инструкция по применению органического регулятора роста растений Nano-Gro™ Препарат Nano-Gro выпускается в виде водорастворимых гранул с содержанием действующего вещества 999,998 г/кг и применяется в виде... |
|
Решение этих задач требует проведения в организации единой технической... В последнее время устойчивость функционирования информационных систем любых организаций и предприятий все в большей степени зависит... |
|
Уроке химии и математики по теме: «Решение задач на процентную концентрацию... В химии и других естественных науках тренировка сводится к решению задач. При решении стандартных задач используется определенный... |
|
Рабочая программа по дисциплине б 8 «Информатика» Для достижения этих целей преподавание дисциплины предполагает решение следующих задач |
|
Рабочая программа по дисциплине б 8 «Информатика» Для достижения этих целей преподавание дисциплины предполагает решение следующих задач |
|
Решение задач по математике Учебно-методический комплекс рабочая... Курс по выбору выполняет функцию поддержки основного курса «Курс общей и экспериментальной физики» и ориентирован на углубление предметных... |
|
Решение текстовых задач (в соответствии с алгоритмом, приведенным выше) Познавательные (постановка и решение проблемы) ) универсальные учебные действия |
 |
Регламент о Чемпионате в Дмитровском муниципальном районе среди команд... Положение по футболу на 2013 год является руководящим документом для команд, участвующих в Чемпионате Дмитровского муниципального... |
|
«Химия и жизнь» Каждый из курсов этих трех типов вносит свой вклад в решение задач профильного обучения. Однако можно выделить круг приоритетных... |
|
Программа реализация алгоритма распознавания 41 Анализ электронных датчиков и средств отображения информации в торговом предприятии 15 |
|
Священники и катехизаторы в местах заточения В места заключения ходят также пятидесятники, адвентисты, представители "Богородичного центра", баптисты, Армия спасения из англоязычных... |
|
Урок 34. Решение задач на применение признаков подобия треугольников Создать условия для формирования у учащихся навыков применения признаков подобия треугольников при решении задач |
|
Порядок разработки планирующих и Для решения данных задач создаются органы управления и, в частности – постоянно действующие органы управления, специально уполномоченные... |
|
Общество с ограниченной ответсвенностью самараподъеммаш Мы ответственно подходим к решению любых технических задач и логично предположить, что без тесной работы с заказчиком речи о качественном... |