Магистраль

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии (рис. 4.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Рис. 4.1. Магистрально-модульное устройство компьютера

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2^I , где I - разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:

N = 2³⁶ = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

2)Принцип программного управления компьютером.

В XIX веке английским математиком и инженером Чарльзом Бэббиджем был разработан проект вычислительной машины, которая предназначалась для автоматического проведения длинных цепочек вычислений. Конструкция его аналитической машины включала 50 тысяч деталей: зубчатых колес, рычагов и пружин, взаимодействовавших определенным образом. Совершенствуя и уточняя конструкцию машины, Бэббидж первым смог выделить необходимые для ее работы части:

• устройство для хранения чисел, как исходных, так и получающихся в результате вычисления;

• специальный вычислительный блок -- процессор;

• устройство для ввода и вывода информации. 

В качестве средства хранения информации в аналитической машине использовалась перфокарта -- картонная прямоугольная пластина с рядами пробитых в ней дырочек. Каждый ряд состоял из двух частей, разделенных столбцом, содержащим отверстия во всех рядах. Первая часть представляла собой запись числа, вторая -- код команды, указывающей, что делать с числом. 

В созданной Бэббиджем аналитической машине присутствовала хранимая в памяти машины программа ее работы. Меняя программу (перфокарту), можно было изменять порядок вычислений, то есть переходить от одной задачи к другой. 

Главной особенностью конструкции этой машины является программный принцип работы. Принцип программы, хранимой в памяти компьютера, считается важнейшей идеей современной компьютерной архитектуры. Суть идеи заключается в том, что 1) программа вычислений вводится в память ЭВМ и хранится в ней наравне с исходными числами; 2) команды, составляющие программу, представлены в числовом коде по форме ничем не отличающемся от чисел.

В основу работы компьютеров положен программный принцип управления, состоящий в том, что компьютер выполняет

действия по заранее заданной программе. Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера: в

определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память

загружается другая программа и т.д.

Программа - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд или операторов языком, который

понимает компьютер. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами.

Для нормального решения задач на компьютере нужно, чтобы программа была отлажена, не требовала доработок и имела

соответствующую документацию. Поэтому, относительно работы на компьютере часто используют термин программное

обеспечение (software), под которым понимают совокупность программ, процедур и правил, а также документации, касающихся

функционирования системы обработки данных.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и взаимодействии. Состав программного обеспечения вычислительной системы называется программной конфигурацией.

Структура и виды команд

Решение задач на ЭВМ реализуется программным способом, т. е. путем выполнения после­довательно во времени отдельных операций над информацией, предусмотренных алгорит­мом решения задачи.

Алгоритм — это точно определенная последовательность действий, кото­рые необходимо выполнить над исходной информацией, чтобы получить решение задачи.

Алгоритм решения задачи, заданный в виде последовательности команд на языке вычислительной машины (в кодах машины), называется машин­ной программой.

Команда машинной программы (иначе, машинная команда) — это эле­ментарная инструкция машине, выполняемая ею автоматически без каких-либо дополнительных указаний и пояснений.

Машинная команда состоит из двух частей: операционной и адресной.

Операционная часть команды — это группа разрядов в команде, предназна­ченная для представления кода операции машины.

Адресная часть команды — это группа разрядов в команде, в которых записы­ваются коды адреса (адпесов) ячеек памяти машины, предназначенных для оперативного хранения информации, или иных объектов, задействованных при выполнении команды. Часто эти адреса называются адресами операндов, т. е. чисел, участвующих в операции.

По количеству адресов, записываемых в команде, команды делятся на безадресные, одно-, двух- и трехадресные.

Типовая структура трехадресной команды:

КОП

а1

а2

а3

где КОП — код операции;

al и а2 — адреса ячеек (регистров), где расположены соответственно первое и второе числа, участвующие в операции;

а3 — адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число, полученное в результате выполнения операции.

Типовая структура двухадресной команды:

КОП

а1

а2

где al — это обычно адрес ячейки (регистра), где хранится первое из чисел, участвующих в операции, и куда после завершения операции должен быть записан результат операции; а2 — обычно адрес ячейки (регистра), где хранится второе участвующее в операции число.

Типовая структура одноадресной команды:

КОП

а1

где al — в зависимости от модификации команды может обозначать либо адрес ячейки (регистра), где хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки ( регистра), куда следует поместить число — результат операции.

Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины (безадресные команды могут использоваться только совместно с командами другой адресности).

Пример 4.13. Поступила представленная на языке символического кодирования команда:

СЛ

0103

5102

Такую команду следует расшифровать так: "сложить число, записанное в ячейке 0103 памяти, с числом, записанным в ячейке 5102, а затем результат (т.е. сумму) поместить в ячейку 0103".

Примечание. В кодах машины такая команда содержит только двоичные цифры записанных выше объектов.

Состав машинных команд

Современные ЭВМ автоматически выполняют несколько сотен различных команд. Напри­мер, стандартный набор современных ПК содержит около 240 машинных команд. Все ма­шинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

операции пересылки информации внутри ЭВМ;

арифметические операции над информацией;

логические операции над информацией;

операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;

операции передачи управления;

обслуживающие и вспомогательные операции.

Пояснения требуют операции передачи управления (иначе ветвления программы), которые служат для изменения естественного порядка выполнения команд. Бывают операции безусловной передачи управления и операции условной передачи управ­ления.

Операции безусловной передачи управления требуют выполнения после данной команды не следующей по порядку, а той, адрес которой в явном или неявном виде указан в адресной части.

Операции условной передачи управления требуют тоже передачи управ­ления по адресу, указанному в адресной части команды, но только в том случае, если вы­полняется некоторое заранее оговоренное для этой команды условие. Это условие в явном или неявном виде указано в коде операции.