Введение в структуру и архитектуру компьютера. Исполнительная среда процессоров IA

Лекция 1. Введение в структуру и архитектуру компьютера

1.1. Основы структуры компьютеров

Согласно классической принстонской архитектуре (часто приписываемой Дж. фон Нейману) компьютер состоит из пяти блоков:

1.  Арифметико-логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором. Задача этого устройства – производить арифметические и логические действия над данными.

2.  Устройство управления. Задача этого устройства – считывать, распознавать и выполнять команды.

3.  Оперативная память. Задача этого устройства – хранить программу, как набор команд, и данные.

4.  Устройство ввода. Задача этого устройства – осуществлять ввод команд и данных в память компьютера.

5.  Устройство вывода. Задача этого устройства – осуществлять вывод полученных результатов в форме удобной для пользователя.

Кроме того, фон Нейман систематизировал некоторые положения, которые часто называют принципами работы компьютера:

1.  Принцип хранимой программы. Согласно этому принципу, коды команд и данных находятся в одном и том же общем адресном пространстве оперативной памяти (Принстонская архитектура, названа так по месту работы фон Неймана). Приблизительно в то же время Говардом Айкеном из Гарвардского университета было предложено раздельное хранение команд и данных в отдельных устройствах памяти (Гарвардская архитектура). Вариант фон-неймановской архитектуры, широко используемый сегодня в различных реализациях калькуляторов, получил название теговой архитектуры. В таких устройствах каждый тип данных имеет сопутствующий ему тег (признак), который описывает тип данного: команда или данное в различном формате.

2.  Принцип линейности пространства памяти. Совокупность ячеек хранения информации логически представляется выстроенной в линию с последовательной нумерацией (адресами). Данная совокупность ячеек называется оперативной памятью. Физически, при этом память может быть построена более сложно.

3.  Принцип последовательного выполнения программ. Устройство управление, как правило, выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения последовательного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды. Более того, устройство управления стремится воспринять любой код как команду. Поэтому данные требуют специального способа хранения и доступа к ним.

4.  Принцип двоичного кодирования команд и данных. Двоичное кодирование команд и данных может быть удобно использовано, при создании компьютера на имеющейся элементной базе.

5.  Принцип безразличия к назначению данных. Машина производит действия над данными по определенным общим правилам вне зависимости от того какую смысловую нагрузку несут обрабатываемые ею данные. Интерпретацию результатов должен производить пользователь, возможно с помощью каких либо дополнительных устройств.

6.  Принцип микропрограммирования. Процесс физического выполнения каждой команды может быть разбит на более мелкие этапы, для выполнения которых может потребоваться набор правил называемых микрокомандами объединенные в микропрограммы. Для выполнения микропрограмм требуется специальное внутреннее устройство микропрограммного управления.

1.2. Основы структуры компьютера

Основными элементами аппаратных средств компьютера являются: системный блок, устройства ввода (клавиатура, мышь), устройство отображения (дисплей), дисководы, печатающее устройство (принтер) и различные средства для асинхронной коммуникации и управления игровыми программами.

Системный блок состоит из системной платы, блока питания и разъемов расширения для дополнительных плат. На системной плате размещены:

·  микропроцессор;

·  постоянная память (Read Only Memory 40Кбайт);

·  оперативная память (Random Access Memory);

Важным элементом компьютера является микропроцессор или центральный процессор (CPU), который выполняет обработку всех команд и данных.

Процессор компьютера выбирает и исполняет одну инструкцию за другой, пока его функционирование не прерывается какими либо внешними средствами (например, путем отключения электричества). Выбор очередной инструкции требует знания ее адреса, который хранится в регистре IР (instruction pointer) внутри процессора.

Поэтому работу центрального процессора можно разбить на три основных шага: выборку, декодирование и исполнение. Каждый из этих основных шагов включает в себя, как правило