Архитектура ЭВМ

🕛 17.09.2009, 13:03

Сердце - процессор. Без него компьютер представляет собой упорядоченный, но безжизненный набор аппаратных компонентов. Кроме различных схемотехнических решений, процессор живет благодаря машинному языку, «зашитому» в его устройстве микропрограммного управления. Именно машинный язык определяет логику работы процессора. В свою очередь, характеристики машинного языка полностью определяются особенностями того типа процессора, для которого этот язык предназначен.

При выборе конкретного типа (или модели) компьютера неизбежно возникают вопросы: как оценить его возможности, каковы его отличия от компьютеров других типов (моделей)? Рассмотрения одной лишь его функциональной схемы явно недостаточно, так как она вряд ли чем-то принципиально отличается от схем других машин. У всех компьютеров есть оперативная память, процессор, внешние устройства. В данном случае в содержании рекламы стоит обратить внимание на то, какие отличительные характеристики компьютера как товара продавец в первую очередь пытается довести до сведения потенциального покупателя. Обычно первые слова подобной рекламы: «Компьютер на базе процессора...». То есть все дело в процессоре. Именно он задает те правила, по которым в конечном итоге все устройства компьютера функционируют как единый механизм.
Для всего, что характеризует компьютер с точки зрения его функциональных программно-управляемых свойств, существует специальный широко распространенный термин - архитектура ЭВМ. Следует отметить, что большинство составляющих этот термин понятий относятся именно к процессору.

Однозначно определить понятие архитектуры ЭВМ довольно трудно, потому что при желании в него можно включить все, что связано с компьютерами вообще и какой-то конкретной моделью компьютера в частности. Попытаемся все же его формализовать.
Архитектура ЭВМ - это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным, в него входят: s структурная схема ЭВМ; средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ; « организация и разрядность интерфейсов ЭВМ; ffi набор и доступность регистров; ж организация и способы адресации памяти; й" способы представления и форматы данных ЭВМ; ж набор машинных команд ЭВМ; Ш форматы машинных команд; * правила обработки нештатных ситуаций (прерываний).
Таким образом, описание архитектуры включает в себя практически всю необходимую для программиста информацию о компьютере. Понятие архитектуры ЭВМ - иерархическое. Допустимо вести речь как об архитектуре компьютера в целом, так и об архитектуре отдельных его составляющих, например, архитектуре процессора или архитектуре подсистемы ввода-вывода.
Все современные компьютеры обладают некоторыми общими и индивидуальными архитектурными свойствами. Индивидуальные свойства присущи только конкретной модели компьютера и отличают ее от своих больших и малых собратьев. Общие архитектурные свойства, наоборот, присущи некоторой, часто довольно большой группе компьютеров. На сегодняшний день общие архитектурные свойства большинства современных компьютеров подпадают под понятие фон-неймановской архитектуры. Так названа архитектура по имени ученого фон Неймана. Когда фон Нейман начал заниматься компьютерами, программирование последних осуществлялось способом коммутирования. В первых ЭВМ для генерации нужных сигналов необходимо было с помощью переключателей выполнить ручное программирование всех логических схем. В первых машинах использовали десятичную логику, при которой каждый разряд представлялся десятичной цифрой и моделировался 10 электронными лампами. В зависимости от нужной цифры одна лампа включалась, остальные девять оставались выключенными. Фон Нейман предложил схему ЭВМ с программой в памяти и двоичной логикой вместо десятичной. Логически машину фон Неймана составляли пять блоков (рис. 2.1): оперативная память, арифметико-логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором, блок управления, устройства ввода и вывода. Особо следует выделить роль аккумулятора. Физически он представляет собой регистр АЛУ. Для процессоров Intel, в которых большинство команд - двукоперандные, его роль не столь очевидна. Но существовали и существуют процессорные среды с однооперандными машинными командами. В них наличие аккумулятора играет ключевую роль, так как большинство команд используют его содержимое в качестве либо второго, либо единственного операнда команды.
АЛУ
Оперативная память
Устройство ввода
Блок
управления
Устройство

Ниже описаны свойства и принципы работы машины фон Неймана. Линейное пространство памяти. Для оперативного хранения информации компьютер имеет совокупность ячеек с последовательной нумерацией (адресами) О, 1, 2,... Данная совокупность ячеек называется оперативной памятью.
Принцип хранимой программы. Согласно этому принципу, код программы и ее данные находятся в одном и том же адресном пространстве оперативной памяти.
Принцип микропрограммирования. Суть этого принципа заключается в том, что машинный язык еще не является той конечной субстанцией, которая физически
приводит в действие процессы в машине. В состав процессора (см. главу 1) входит устройство микропрограммного управления, поддерживающее набор действий-сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения каждой машинной команды. Последовательное выполнение программ. Процессор выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды. Они называются командами условного и безусловного переходов. Отсутствие разницы между данными и командами в памяти. С точки зрения процессора, нет принципиальной разницы между данными и командами. Данные и машинные команды находятся в одном пространстве памяти в виде последовательности нулей и единиц. Это свойство связано с предыдущим. Процессор, поочередно обрабатывая некоторые ячейки памяти, всегда пытается трактовать содержимое ячеек как коды машинных команд, а если это не так, то происходит аварийное завершение программы. Поэтому важно всегда четко разделять в программе пространства данных и команд. Безразличие к назначению данных. Машине все равно, какую логическую нагрузку несут обрабатываемые ею данные.
Данный учебник посвящен вопросам программирования процессоров фирмы Intel и Intel-совместимых процессоров других фирм. Поэтому в качестве примера индивидуальных архитектурных принципов компьютера, в силу иерархичности этого понятия, рассмотрим индивидуальные архитектурные принципы и свойства процессоров Intel. Их полное рассмотрение не является нашей целью, уделим внимание лишь тем их них, которые наиболее характерны и понадобятся нам для дальнейшего изложения. Более подробно вопросы организации архитектуры компьютера описаны в [7].
Согласно материалам фирмы Intel, индивидуальные архитектурные свойства и принципы работы всех ее процессоров, начиная с i8086 и заканчивая Pentium IV, выстроены в рамках единой архитектуры, которая позже получила название IA-32 (32-bit Intel Architecture). Эта архитектура не является «закостенелым» образованием. В процессе эволюции процессоров Intel она постоянно изменяется и развивается. Каждый из процессоров вносил в IA-32 одно или несколько архитектурных новшеств. Несмотря на то, что датой рождения архитектуры IA-32 нужно считать дату появления на свет процессора i80386, предыдущие модели процессоров также внесли существенный вклад в представление ее принципов и свойств. Если вернуться к материалу главы 1, то можно проследить за вкладом, который внес каждый из процессоров Intel в ходе своей эволюции в формирование элементов архитектуры IA-32. Так, благодаря процессорам i8086/88в IA-32 существует сегментация памяти, i80286 ввел защищенный режим и т.д.