Принципы организации эвм

1. Принципы организации ЭВМ

2.

3. Современное многофункциональное АЛУ

4.

Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня
из двух частей:
Операционное устройство.
Устройство управления. Проводит вторичную
дешифрацию кодов команды, определяет операцию,
выполняемую в арифметико-логическом устройстве.

5. Набор выполняемых операций

Важно знать, какие операции должно исполнять АЛУ для того,
чтобы обладать функциональной полнотой. Как правило, хватает
четырех:
Обращение к памяти устройства для чтения или записи
информации.
Декремент/инкремент.
Сравнение. Здесь реализуется возможность условного перехода.
Остановка функционирования устройства.

6.

Если мы обратимся к первым арифметикологическим устройствам, то увидим, что
количество выполняемых ими операций
ограничивалось 16-ю.
Современные АЛУ способны выполнять сотни!
Число операций и сегодня является важнейшей
характеристикой данных устройств.

7. Основные функции

Арифметико-логическое устройство является составной частью процессора компьютера. АЛУ будет
выполнять следующие функции:
Двоичной арифметики для информации в форматах с фиксированной точкой.
Двоичной арифметики для информации в форматах с плавающей точкой.
Арифметики двоично-десятичного представления сведений.
Логические операции (арифметические и логические сдвиги).
Пересылка информации.
Работа с символьными данными.
Работа с графической информацией.

8. Главные количественные характеристики

Составные части арифметико-логического устройства (ОУ и УУ) определяют
количественные характеристики всей системы АЛУ.
В частности, это следующее:
Время выполнения одной операции.
Скорость выполнения операций вообще.
Число исполняемых операций.
Точность предоставленной информации.

9. Главные качественные характеристики

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью процессора.
Это определяет его важнейшие качественные характеристики:
Структурные особенности системы АЛУ.
Методики кодирования данных.
Форматы представления информации - с плавающей
или фиксированной точкой.

10. Внутреннее устройство АЛУ

УУ (микропрограммное устройство). Задает
последовательность команд и микрокоманд.
ОУ. Здесь реализуется ранее заданная
последовательность команд и микрокоманд.
Операционные устройства, в свою очередь,
разделяются по типу обрабатываемой
информации, по способу обработки данных,
логической структуре.

11. При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:

Регистры. Служат для обработки данных,
поступающих как из пассивной, так и из оперативной
памяти.
Логические команды. Служат для обработки слов по
микрокомандам. Последние, естественно, будут
поступать из УУ - устройства управления процессора.

12. Сами микрокоманды делятся на две категории:

Поступают от внешнего источника в АЛУ. Вызывают в
арифметико-логическом устройстве преобразование
информации.
Генерируются в самом АЛУ. Оказывают свое влияние на
микропрограммное устройство. Тем самым изменяют
нормальный, стандартный порядок следования команд.

13. Работа АЛУ

УУП – устройство управления процессором
ЗУП – Запоминающее устройство процессора
См – сумматор
Рг1, Рг2 – регистры
УУВ – устройство управления вычислениями
ШЧД – шина чтения данных
ШЗД – шина записи данных
ШУ – шина управления

14.

УГО
микросхемы
АЛУ

15. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

16. Назначение устройства управления

Аппаратное управление
Программное управление

17.

Процессор является главной частью
цифровой ЭВМ не только потому, что
именно в нем выполняется сам
процесс обработки информации, но и
потому, что он управляет в ходе этого
процесса работой других частей
машины — в первую очередь,
устройствами ввода и вывода и
запоминающими. Самому процессору
также требуется управление.

18.

Процессор является конечным
автоматом и в общем случае
его можно представить в виде
некоторого цифрового
устройства, состоящего из двух
частей: операционной и
управляющей

19. Схема взаимодействия операционной и управляющей частей процессора

20.

В операционной части совершаются элементарные
действия по обработке информации:
запись слов в регистры;
передача слов из регистра в регистр;
сдвиг содержимого регистров влево или вправо;
определение состояния регистров;
инвертирование содержимого регистров;
логические операции при поразрядном сравнении
содержимого регистров и т.д.

21.

Все эти операции
производятся под
воздействием сигналов
управляющей части
процессора и
синхронизируются
тактовыми сигналами.

22. Структурная модель и схема УУ

23.

Элементарные преобразования информации,
выполняемые в течение одного такта сигналов
синхронизации, называются микрооперациями.
В течение одного такта сигналов синхронизации
могут выполняться несколько микроопераций (в
разных элементах операционной части).

24.

Совокупность микроопераций,
выполняемых одновременно в
течение одного такта,
называется микрокомандой, а
весь набор различных
микрокоманд —
микропрограммой.

25.

Поскольку управляющее цифровое
устройство определяет всю
последовательность выполнения
микрокоманд, т. е. микропрограмму,
оно называется микропрограммным
автоматом.

26.

Для выработки
управляющих сигналов при
выполнении некоторых
микрокоманд такому
автомату могут
потребоваться сигналы о
состоянии операционной
части или внешние сигналы.

27.

Для построения микропрограммного
автомата используются принципы схемной
(аппаратной) и программируемой логики, а
методы управления процессором
подразделяются на аппаратные и
программные.

28.

На верхнем уровне системы управления (решение
задач и функционирование операционной системы)
используется программный метод.
На нижнем уровне (например, ввод сигналов с
клавиатуры, кодирование аналоговых сигналов) часто
используется аппаратный метод.

29.

Для фиксации алгоритмов управления существуют
два основных способа:
с помощью управляющих автоматов;
с помощью управляющих кодов в запоминающем устройстве.
Оба способа в конечном счете обеспечивают образование
необходимой последовательности микрокомандных
сигналов, т.е. микропрограмм. В этом смысле указанные
способы равнозначны, однако конструктивные отличия
обусловливают различные области их применения.

30.

Первый способ, называемый аппаратным,
применяется, как правило, во всех ЭВМ.
Он наиболее эффективен для управления
несложными, но часто встречающимися
операциями.

31.

Второй способ, называемый обычно
микропрограммным, получает все большее
распространение и особенно эффективен
для управления сложными операциями
типа встроенных процедур.

32.

Обычно оба этих способа сочетаются, а
распределение управляющих воздействий
при каждом из них выбирают таким
образом, чтобы обеспечить высокое
быстродействие и оптимальную
организацию вычислительного процесса.

33. Домашнее задание

Заполнить сравнительную таблицу в рабочей тетради.
Необходимо просмотреть слайды 35-53.
Прикрепить фото таблицы в дз.

34. Сравнительная таблица аппаратного и программного управления

№ п/п
Характеристика
1
Способ реализации.
2
Область применения.
3
Преимущества.
4
Недостатки.
Аппаратное управление
Программное управление

35. Аппаратное управление

36.

Аппаратное управление
осуществляется
последовательностным
цифровым устройством
(ПЦУ), построенным на
принципах схемной
логики.

37.

Для каждой операции в ПЦУ имеется свой набор логических схем,
вырабатывающих определенные управляющие сигналы для
выполнения микроопераций в заданные моменты времени.
При указанном построении управляющего ПЦУ микрооперации
осуществляются за счет однажды соединенных между собой
логических схем, поэтому такие устройства называются
процессорами с жесткой логикой управления.

38. Схема процессора с жесткой логикой

Входные данные
Выходные данные

39.

Это означает, что для процессора существует
определенный фиксированный набор команд по числу
операций и неизменная структура связей между узлами,
обеспечивающая заданную последовательность
выполнения каждой операции.

40.

В управляющей части процессора имеется ряд
узлов для выполнения различных операций на
одном и том же оборудовании операционной
части ОЧ процессора. Каждой операции из
фиксированного для такого процессора набора
соответствует определенная команда, которая
поступает из оперативного запоминающего
устройства ОЗУ. В управляющей части
процессора код этой команды с помощью
дешифратора команд Д преобразуется в сигнал
на определенном выходе, который включает в
работу соответствующий узел управления УУк
(всего их к— столько же, сколько и операций)
процессом выполнения данной операции.

41.

На основе рассмотренной схемы может
быть создан и микропроцессор, т. е.
процессор в виде интегральной схемы.

42.

Реализация принципа схемной логики в МП
означает, что после его изготовления практически
невозможно изменить набор команд и операций.
Это приводит к узкой специализации изделия и
снижает серийность выпуска, а следовательно,
стоимость такого МП будет большой.

43. Логическая структурная схема однокристального микропроцессора

В состав управляющего
устройства входят следующие
основные узлы:
• регистр команд;
• счетчик команд;
дешифратор операций;
адресный сумматор;
• индексные регистры;
• шины адресов, команд и данных.
Логическая структурная схема однокристального
микропроцессора

44.

Регистр команд обеспечивает хранение кода команды. Часть разрядов регистра
команд (регистр кода операции) предназначена для хранения кода выполняемой
операции, остальные разряды (для хранения кодов адресов операндов) связаны с
регистром адреса запоминающего устройства. Они могут быть связаны также со
счетчиком команд и другими устройствами ЦВМ в зависимости от ее структуры.
Счетчик команд обеспечивает хранение кодов адресов команд, поступающих из
ОЗУ на регистр команд, и осуществляет управление переходом к выполнению
следующей команды в соответствии с программой вычислений.
С регистром кода операции связан дешифратор операций, число выходных шин
которого равно числу операций ЦВМ.
Каждой операции соответствует своя временная последовательность управляющих
сигналов, реализующая необходимую для выполнения данной операции
последовательность микроопераций.

45. Основные блоки МП:

арифметико-логический АЛБ;
управления вводом и выводом информации БУВВ с
внутренними буферными регистрами для
временного хранения вводимых и выводимых кодов;
прерываний процессора БПр;
местного управления и синхронизации БМУС.

46. Программное управление

47.

Суть принципа программируемой
логики заключается в том, что при
выполнении новой операции
(отличающейся от предыдущей)
используются прежние логические
элементы, но изменяются
функциональные связи между ними.

48.

При реализации этого
принципа кодовые
комбинации
управляющих сигналов
представляются в виде
кодов микрокоманд,
которые сохраняются в
управляющей памяти УП.
Процессор с программируемой логикой: а – структура устройств, б – структура команд.

49.

При выполнении некоторой операции из УП выбирается микрокоманда и
выдается в виде совокупности управляющих сигналов в операционную
часть ОЧ.
Для каждой операции в УП имеется своя микропрограмма. В
соответствии с содержимым счетчика команд из оперативной памяти
выбирается команда и по ее коду определяется соответствующая ей
микропрограмма в УП.
Микрокоманды найденной микропрограммы последовательно
считываются и подаются в ОЧ. В результате реализуется операция,
определяемая данной командой

50.

Такой способ реализации операций
получил название «микропрограммный», а
процессор с устройством управления,
основанном на этом принципе, называется
процессором с программируемой логикой.

51.

Поступающая из ЗУ
команда используется
для определения с
помощью блока
микропрограммного
управления БМУ адреса
первой МК той
микропрограммы,
которая реализует
заданную командой
операцию

52.

Использование принципа программируемой
логики при построении управляющего устройства
может привести к снижению быстродействия МП
из-за увеличения числа тактов выполнения
микропрограммы
Достоинство такой организации управления
заключается в возможности гибкого изменения
набора команд в МП с помощью изменения
совокупности микропрограмм, реализующих эти
команды.

53. Заключение

Программа записывается в ЗУ в виде последовательности команд.
Каждая команда определяет вид операции, исполняемой в данном
цикле работы, адреса операндов, участвующих в операции, место
расположения результата операции, адрес расположения следующей
команды. При малой разрядности МП трудно задать такую обширную
информацию с помощью только одного слова. Проблемы выбора
формата команд и кодирования полей команд МП имеют особое
значение.
Заключение
Гибкость МП и его эффективность определяются числом команд и
полнотой системы команд, средствами и способами адресации,
возможностями организации разветвленных вычислительных
процессов.
С увеличением разрядности команды растут и возможности МП.
Ограниченная разрядность команды создает существенные трудности
в размещении информации о ходе операции и методе адресации
данных. Для преодоления этих трудностей в систему команд вводятся
операции с удвоенной разрядностью, а также команды с переменной
разрядностью.
CISC
RISC
MISC
VLIW