Информатика Презентация 1

1. Введение в архитектуру ЭВМ 1. Обобщенная структурно-функциональная схема ЭВМ На следующих схемах приняты следующие сокращения:

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (оперативная память);
ВЗУ – внешние запоминающие устройства (магнитные диски,
дискеты, …);
УВВ – устройства ввода (клавиатура, мышь, микрофон, …);
УВыв - устройства вывода (монитор, динамики, …);
АЛУ – арифметико-логическое устройство;
УУ – устройство управления.

2. Общая структурно-функциональная схема ЭВМ

Периферийные
устройства
Входная
информация
Выходная
информация
УВВ
Центральные
устройства
ВЗУ
УВыв
ОЗУ
АЛУ
УУ
Центральный
процессор
Общая структурно-функциональная схема ЭВМ
- передача данных
- управление

3. Общая структурно-функциональная схема ЭВМ

ВЗУ
УВВ
..
.
Центральный
процессор
(ЦП)
УУ
УВыв
..
.
АЛУ
ОЗУ
Общая структурно-функциональная схема ЭВМ
УВВ, ВЗУ
ЦП – операции ввода; данные от устройства в ОЗУ
ЦП
УВыв, ВЗУ - операции вывода; данные из ОЗУ на устройства
ОЗУ
ЦП – операция ввода; данные из ОЗУ в ЦП
ЦП
ОЗУ - операция вывода; данные из ЦП в ОЗУ

4. Принципы фон-Неймана

Перечень основных принципов фон-Неймана:
• необходимость использования двоичной системы счисления для
представления информации в ЭВМ;
• наличие единого запоминающего устройства с последовательно
нумеруемыми ячейками;
• отсутствие явного различия между командами и данными;
• строго последовательное выполнение команд (операций) программы;
• назначение данных (их смысл, семантика) определяется только
логикой программы, их обрабатывающей.

5. Структура оперативной памяти

00
01
адреса
ячейки
02
…
n
Содержимое ячеек ОП (ОЗУ):
- команды;
- данные.

6.

Общий формат машинной команды
Код операции
Поле операндов
Двухадресная команда. Структура поля операндов
R1
О2
R1 – адрес (номер) регистра процессора,
О2 – адрес регистра процессора (R2) или ячейки памяти (A2).
Схема выполнения:
1. Выполняется операция над операндами по адресам R1 и О2;
2. Результат заносится по адресу R1 (уничтожая значение первого
операнда).
Замечание. В современных универсальных ЭВМ двухадресный
формат является основным.

7.

В простейшем случае для решения задачи на ЭВМ необходимо:
• загрузить в оперативную память программу решения задачи и исходные данные;
• "сообщить" процессору адрес ячейки памяти, в которой размещена первая команда
программы; подобное "сообщение" реализуется занесением искомого адреса в счетчик
команд;
• инициировать процедуру передачи в подсистему памяти адреса первой команды
программы и пересылки ее содержимого из памяти в регистр команд (запустить
программу); с этого момента процессор начинает выполнять последовательность
указанных в программе операций.

8.

Системная
магистраль
8в
2
8а
6
11
РОН
БР1
БР2
6
8
КОП
4
0
1
2
АЛУ
9
...
...
7а
R1 O2
5
7
УУ
3
12
Счетчик
команд
Регистр
флагов
10
5
команд
Регистр
Сумматор
1
9
11
7а
7в
Регистр
адреса
Упрощенная схема выполнения машинной команды
1
7в

9.

Основной состав современного процессора включает:
Совокупность регистров общего назначения (РОНы) – внутренняя (локальная) память
процессора.
Устройство управления (УУ) - помогает процессору контролировать и выполнять инструкции
(машинные команды).
В соответствии с инструкциями, УУ сообщает остальным компонентам ЦП, что именно им
нужно делать. Все инструкции вначале поступают именно на устройство управления.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - реализует операции и вырабатывает ряд
признаков (результат меньше нуля, равен нулю или больше нуля и т.п.).
АЛУ состоит из логических элементов, выполняющих инструкции.
Регистр команд (РК) – компонента УУ, служащая для размещения текущей исполняемой
команды;
Счетчик команд (СК) - указатель адреса следующей команды в оперативной памяти (ОП),
которая должна быть выполнена после завершения выполнения текущей команды.
Содержимое СК увеличивается после выборки из ОП текущей исполняемой команды в РК на
ее длину; тем самым содержимое СК настраивается на адрес следующей команды в ОП,
которая должна быть выполнена после текущей.
Замечание. Если для исполнения выбрана команда перехода (передачи управления),
содержимое СК может быть заменено на адрес, указанный в адресной части команды перехода.
Регистр адреса (РА) - содержит адрес ячейки памяти, из которой будет считано значение
операнда, или в которую требуется записать результат выполнения команды.
Сумматор – регистр, используемый для размещения результата выполнения операции;
Регистр флагов – регистр, хранящий признаки результата (флаги) выполнения последней
операции, их (признаки) вырабатывающей; эти признаки используются для организации
работы команд переходов.

10.

Программа нахождения меньшего из чисел, находящихся в ячейках a и b
Программа на языке С:
int a = 5, b = 7, c; //a, b, c – адреса ячеек ОП
c=a;
if (c<b) c=b;
Программа на языке Ассемблер:
a DW 5
; выделение в ОП ячейки под переменную а и запись в нее числа 5
b DW 7
c DW
MVC R1, a
; регистр общего назначения R1 играет роль переменной с
СМР R1, b
; сравнение с и b
JAE M
; переход, если больше или равно
MOV R1, b
; a<b
M: ST
R1, c
; запись результата в ячейку с

11.

ПОДСИСТЕМА ПАМЯТИ
Структура и характеристики памяти
Структура памяти. Физически память состоит из огромного числа элементов памяти
(битов), каждый из которых может находиться в одном из двух состояний, кодируемых
двоичной цифрой 0 или 1.
Для пользователей, вне зависимости от модели ЭВМ, минимальной адресуемой логической
единицей памяти является байт - последовательность 8-ми битов (двоичных разрядов).
Байт
Биты
7
6 5
4 3
2 1 0
Замечание. Одной из характеристик ЭВМ является машинное слово.
В различных моделях процессоров размер машинного слова различен (8 бит, 16 бит, 32 бита, 64
бита) и зависит от соответствующей характеристики шины данных системной магистрали.
Замечание. В дальнейшем под термином ячейка, если это не требует уточнения, будем
понимать любое хранилище данных.
Модули памяти (хранилища информации) различного типа, объединяясь с соответствующими
блоками управления, образуют класс запоминающих устройств (ЗУ), например, оперативная
память (ОП) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Часто, однако, понятия памяти и запоминающего устройства используют как синонимы.

12.

Характеристики памяти
1. Информационная емкость. Информационная емкость (или просто емкость) памяти
выражается в количестве байтов или слов; так как эта емкость может быть очень велика, обычно
используют более крупные единицы, образованные присоединением приставок К (кило 210=1024), М (мега - 220=1048676), Г (гига – 230=1073741824), Т (тера - 240=1 099 511 627 776) к
перечисленным единицам.
2. Операции с памятью. В отличие от других функциональных схем, занимающихся
переработкой и преобразованием информации, запоминающие устройства выполняют только одну
функцию - хранение информации.
Поэтому к запоминающим устройствам могут быть применены только две операции - ЧТЕНИЕ
(ВЫБОРКА) и ЗАПИСЬ.
В любой момент, обратившись к памяти, можно получить содержимое хранимого байта или слова,
то есть реализовать операцию ЧТЕНИЯ из памяти.
Большинство запоминающих устройств устроены таким образом, что процесс выборки не меняет
их содержимого - они как бы выдают во вне копию информации, которая в них продолжает
храниться. Таким образом, один раз записав слово, можно сколько угодно раз получать его копии.
При операции ЗАПИСИ в память старое содержимое безвозвратно теряется и замещается новой
информацией.
3. Цикл считывания и цикл записи определяются, соответственно, как время от момента
выдачи процессором сигнала на считывание или запись и моментом поступления информации,
необходимой для выполнения операции, то есть, до того момента, когда заканчиваются все
действия, связанные с выполняемой операцией, и память будет готова реализовать следующую
операцию.
Иногда, при совпадении продолжительности этих циклов, используют обобщенный термин цикл памяти.

13.

4. Способ выборки информации. Различают два основных типа запоминающих устройств:
устройства с произвольной выборкой и последовательной выборкой.
При произвольной выборке время доступа к заданному байту (слову) не зависит от
местонахождения этого слова в памяти, при последовательной - зависит.
5. Методы размещения и поиска информации. По этим признакам различают следующие виды
памяти ЭВМ: адресная, стековая и ассоциативная.
Доступ к информации в адресной памяти производится по адресу ячейки, начиная с которой
информация в памяти располагается (очевидно, что в общем случае информационный массив
может занимать несколько ячеек).
При размещении информации в стековой памяти, в общем случае, возможен доступ только к ее
вершине.
Поиск информации в ассоциативной памяти производится по содержимому ее ячеек.
6. Возможность изменения информации.
Существуют элементы памяти с легко изменяемыми состояниями, способные работать как в
режиме чтения, так и в режиме записи.
Есть более дешевые элементы памяти, которые, единожды установленные в 0 или 1, изменить
свое состояние при функционировании ЭВМ не могут.
Запоминающие устройства, построенные на таких элементах, используются только в режиме
чтения.
7. Сохранение информации при отключении питания ЭВМ.
В некоторых видах запоминающих устройств при отключении (и даже кратковременном
прерывании) напряжения происходит потеря информации.
Такие запоминающие устройства называют энергозависимыми.
В энергонезависимых запоминающих устройствах информация сохраняется.

14.

Классы запоминающих устройств
Общая классификация. По своему функциональному
устройства можно разделить на следующие классы:
• регистровые внутренние запоминающие устройства;
• Кэш-память;
• основная память;
• внешние запоминающие устройства (ВЗУ).
назначению
запоминающие
1. Регистровые запоминающие устройства
Регистры общего назначения (РОН) входят в состав центрального процессора и служат для
промежуточного хранения данных, адресной и управляющей информации.
Эти запоминающие устройства обладают наибольшим быстродействием и обычно невелики
по объему.
Совокупность РОНов, образующих локальную память процессора, предназначена для
повышения быстродействия процессора, поскольку загрузка в АЛУ операндов выполняемой
команды из РОНов гораздо быстрее, чем из оперативной памяти.
2. Сверхоперативная (КЭШ-память) используется как буферная память, сглаживающая
различие в быстродействии процессора и оперативной памяти.

15.

3. Основная память. Запоминающие устройства, входящие в состав основной памяти,
составляют важнейший модуль любой ЭВМ, в них хранятся программы и данные,
обрабатываемые центральным процессором.
В составе основной памяти выделим оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и
постоянное запоминаюшее устройство (ПЗУ).
4. К классу внешних запоминающих устройств (ВЗУ) относятся энергонезависимые
устройства с памятью (магнитные и оптические диски, флеш-карты и ряд других устройств).
Существенно то, что прямого доступа к ВЗУ центральный процессор не имеет. Прежде чем
воспользоваться информацией, хранящейся на ВЗУ, она должна быть перенесена в оперативную
память.
ВЗУ служат для хранения больших объемов информации, используются для создания библиотек,
архивов, баз данных.