Многоуровневое описание архитектуры компьютера
ЭВМ представляет собой набор электронных схем, способных выполнить команды. Для избегания сложностей при конструирования и снижения аппаратурных затрат, как правило выполняемые команды ограничивается набором простых команд. Эти примитивные команды составляют машинный язык компьютера.
Машинный язык- это набор команд, которые позволяют человеку общаться с компьютерным железом.
Какие именно команды будут включены в систему команд данного компьютера решает сам разработчик в зависимости от назначения и структуры компьютера.
Современные компьютеры используется для решения сложнейших задач и использование машинных языков достаточно утомительно и неэффективно. То что удобно компьютеру становиться неудобно человеку.
В процессе развития ЭВМ развились языки высокого уровня, которые представляют собой конструкции, удобные для использования человеком.
Современный компьютер представляется в виде многоуровневой структуры, каждый уровень которой надстраивается друг под другом. На самом верхнем размещается самый сложный язык, а на нижнем - самый примитивный машинный язык. Преобразование между уровнями осуществляется с помощью специальных программ, называемых трансляторами.
Уровни описания архитектуры эвм
Архитектура ЭВМ может быть описана на различных уровнях, которые отличаются видимыми компонентами и операциями, которые выполняются этими компонентами, или над этими компонентами.
Наиболее часто применяют следующие уровни описания ЭВМ
0. На физическом уровне как объекты рассматриваются примитивные примитивы электронной техники –резисторы, транзисторы, диоды... Информация передается в виде сигналов.
1. Уровень цифровых логических схем представляет собой совокупность логических элементов и цифровые узлов. Это элементы И, ИЛИ, …, 1 бит памяти - триггер. Совокупность триггеров представляют собой регистр, используемый для хранения машинного слова. Мулитмплексоры, дешифраторы, …Единица информации на этом уровне цифровые сигналы, биты данных.
2. Микропрограммный уровень. На этом уровне рассматриваются такие узлы ЭВМ, как локальная оперативная память – совокупность регистров, арифметико-логическое устройство – совокупность сумматоров, дешифраторов, сдвигателей, конъюнкторов, т.д. Блоки управления. Локальная память микрокоманд. Единицы информации – машинные слова, управляющие сигналы. Объекты взаимодействуют на уровне микрокоманд и микропрограмм.
Микропрограммный уровень, уровень на котором реализовано выполнение команд ЭВМ. Под управлением микропрограмм выполняется весь цикл функционирования компьютера.
На МУ видна архитектура процессорного ядра.
3. Уровень машинных команд, архитектурный уровень. Видимые объекты процессор, ОП, ВУ, КПП… Объекты общаются на уровне команд и протоколов обмена информацией. На этом уровне видна архитектура всей системы.
На этом уровне программы и протоколы обмена данными представлены на машинном языке; это цифровые коды, которые понимает архитектура компьютера.
При выполнении машинной команды цифровой код может быть интерпретирован на микропрограммном уровне (т.е. непосредственно выполнен с помоью микропрограммы) или выполнен с помощью аппаратных средств на уровне цифровых схем.
4. Уровень ассемблера – это тот же самый машинный уровень, который представлен в символичной форме. Символичная форма – понятная человеку и простая в использования символическая запись машинных команд. Для перехода из символичного кода в цифровой используют программы трансляторы.
5. Уровень языков высокого уровня: Тут рассматривают различные детализации, в завичимости от видимых объектов и способов их взаимодействия. Здесь рассматриваются уровень операцтонной система, прикладной уровень, и т.д.
Конструктивно-функциональная организация ЭВМ
ОП -основная память, обеспечивает хранение программ и данных, может быть представлена в виде модулей ПЗУ и ОЗУ
ПЗУ: используется для хранения системных программ и констант; обеспечивает только считывание.
ОЗУ: запоминающее устройство с произвольным доступом. Используется для хранения промежуточных данных и конечных и результатов.
ВУ: внешнее устройство, обеспечивает ввод/вывод данных в систему. Относится устройство ввода/вывода,
ИВУ: интерфейс внешнего устройства; обеспечивает связь внешнего устройства с внешней шиной.
П: процессор. Основное устройство обработки информации.
УУ-устройство управления. Осуществляет управление выполнением программ.
Основные функции УУ:
управление выборкой команды из основной памяти;
управление распаковкой команды;
выполнение заданной операции;
формирование адреса следующей команды.
В состав УУ входят:
БУ - блок управления – формирует управляющие микроинструкции
ПМК -память микрокоманд, ПЗУ хранит все микропрограммы управления , выполнения команд, обработчики прерываний, т.д..
РК -регистр команд: предназначена для хранения команды на протяжении всего цикла ее выполнения.
СК -счетчик команд: здесь формируется адрес следующий команды для считывания из ОП.
РС -регистр слова-состояния: используется для хранения признаков и флагов.
УС-указатель стека. Стек-это часть основной памяти, которая используется для безадресного хранения данных. Стек может быть организован и как отдельный модель памяти. Стек организован по принципу LIFO (последний пришел, первый обслужен). Указатель стека указывает на последнюю загруженную ячейку стека. Стек чаще всего используется для работы с подпрограммами, для хранения адреса возврата в основную программу.
АУ: выполняет арифметические и логические операции над машинными словами.
В состав АУ входят:
АЛБ -арифметико-логический блок, в котором осуществляется преобразование информации.
СОЗУ -сверх оперативное запоминающие устройство, состоящее из регистров. Регистры СОЗУ делятся на два типа:
РОН - регистры общего назначения. К этим регистрам возможно обращение с уровня системных команд, т.е. с уровня ассемблера. Используется для хранения всевозможных адресов перехода.
РР - рабочие регистры. К ним возможно обращение только с микропрограммного уровня; используются для хранения промежуточных результатов и данных. Как правило после окончания цикла выполнения очередной команды в РР не остается никакой полезной информации. Все данные и результаты после выполнения команды сохраняются в ОП.
ИСК-интерфейс системного канала; используется для связи процесса с системной шиной.
РА(регистр адреса) и РД(регистр данных) служат в качестве буферных регистров для передачи адресов и данных на системную шину.
Все устройства внутри процессора связаны ЛШ(локальной шиной).
Все компоненты системы связаны между собой СШ.