Принципы работы ЭВМ 1. Организация данных в ЭВМ 2. Представление команд в ЭВМ 3. Как же работает ЭВМ?
1. Организация данных в ЭВМ
Представление данных в ЭВМ • При проведении математических расчетов числа внутри ЭВМ могут быть представлены с помощью естественной и нормальной форм записи. • Примером записи в естественной форме может служить число 173, 856. Для записи такого числа машинное слово (операнд) делится на два фиксированных поля (части). Первое поле отводится для записи целой части числа, второе — для записи дробной части числа. Старший разряд предназначается для указания знака числа. Номерами указаны разряды машинного слова. • В вычислительной технике принято отделять целую часть числа от дробной части точкой. Так как в этом случае положение точки между целой и дробной частью четко определено, то такое представление чисел называют представлением с фиксированной точкой.
Представление чисел с фиксированной точкой 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 целая часть знак 5 4 3 2 1 0 дробная часть положение точки Для записи числа машинное слово (операнд) делится на два фиксированных поля (части). Первое поле отводится для записи целой части числа, второе — для записи дробной части числа. Старший разряд предназначается для указания знака числа. Номерами указаны разряды машинного слова. Машинное слово является структурной единицей информации ЭВМ. С помощью машинного слова записывают числа, символы и команды. В современных ЭВМ длина машинных слов составляет 32… 128 разрядов. На рисунке для упрощения показано машинное слово длиной 16 разрядов (2 байта). Физически каждый разряд машинного слова представляет собой отдельный элемент памяти (триггер или запоминающий конденсатор).
Запись целых чисел 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 целая часть знак Недостатком формы с фиксированной точкой является малый диапазон представления чисел. Как правило, в этой форме записывают только целые числа. При записи целых чисел отпадает необходимость отводить поле (часть машинного слова) для записи дробной части числа
Форма представления чисел с плавающей точкой 31 знак 30 29 … порядок … 9 24 23 … 1 0 мантисса Нормальная форма записи числа имеет вид: где m — мантисса числа; р — порядок; d — основание системы счисления. Порядок указывает местоположение в числе точки, отделяющей целую часть числа от дробной части. В зависимости от порядка точка передвигается (плавает) по мантиссе. Такая форма представления чисел называется формой с плавающей точкой.
Например, пусть m = 0. 3, d = 10, а порядок будет разным: • В этом случае машинное слово делится на два основных поля. В одном поле записывается мантисса числа, во втором — указывается порядок числа. • Из приведенного примера видно, что благодаря изменению порядка точка перемещается (плавает) по мантиссе. При этом, если порядок отрицательный, точка смещается по мантиссе влево, а если положительный, то вправо. • Диапазон представления чисел с плавающей точкой значительно больше диапазона представления чисел с фиксированной точкой. Однако быстродействие ЭВМ при обработке чисел с плавающей точкой гораздо ниже, чем при обработке чисел с фиксированной точкой.
2. Представление команд в ЭВМ
Команды • Программа работы ЭВМ состоит из последовательности команд. • Под командой понимается информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов, формируемых в устройстве управления процессора, для выполнения машиной определенного действия.
Состав команды • Поле команды состоит из двух частей: операционной и адресной. • В операционной части указывается код операции (КОП). Код определяет действие, которое должна выполнить ЭВМ (арифметическое — сложение, вычитание; логическое — инверсия и т. д. ). • Адресная часть команды содержит адреса операндов (чисел или символов), участвующих в операции. Под адресом понимается номер ячейки ОЗУ или ПЗУ, где записана необходимая для выполнения команды информация. • Таким образом, ЭВМ (точнее, процессор) выполняет действие, которое определяется кодом операции над данными, местоположение которых указано в адресной части команды.
Форматы команд • Количество указываемых в команде адресов может быть различным. В зависимости от числа адресов различают следующие форматы команд: одно-, двух- и трехадресные. Бывают и безадресные команды. КОП А 1 А 2 Операционная часть команды (Код ОПерации) А 3 Адресная часть команды
Виды выполняемых операций • Современные ЭВМ автоматически выполняют несколько сотен различных команд. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций: • • • операции пересылки данных; арифметические операции; логические операции; операции обращения к внешним устройствам ЭВМ; операции передачи управления; обслуживающие и вспомогательные операции. • При проектировании новых процессоров разработчикам приходится решать сложную задачу выбора длины команды и определения списка необходимых команд (системы команд).
Трехадресная команда • Трехадресная команда, выполняющая, например, операцию сложения, должна содержать код операции сложения и три адреса. • Действия, выполняемые этой командой, описываются следующей последовательностью операций. • 1. Взять число, хранящееся по первому адресу А 1. • 2. Взять число, хранящееся по второму адресу А 2, и сложить с первым числом. • 3. Результат сложения записать по третьему адресу А 3.
Двухадресная команда • В случае двухадресной команды третий адрес отсутствует, и результат можно записать либо по второму адресу (с потерей информации, которая была там записана), либо оставить в регистре сумматора, где производилась операция сложения. • Тогда для освобождения регистра сумматора требуется дополнительная команда перезаписи числа по требуемому адресу.
Одноадресная команда • При организации сложения двух чисел, хранящихся по адресам А 1 и А 2 с записью результата в А 3 с использованием одноадресных команд, требуется уже три команды. • 1. Вызов в сумматор (АЛУ) числа, хранящегося по адресу А 1. • 2. Вызов числа, хранящегося по адресу А 2 и сложение его с первым числом. • 3. Запись результата по адресу А 3. • Таким образом, чем меньше адресов содержит команда, тем большее число команд требуется для составления одной и той же программы работы машины.
• Увеличивая число адресов в команде, приходится увеличивать длину машинного слова, чтобы отвести в нем необходимые поля для адресной части команд. • С увеличением объема памяти ЭВМ увеличивается длина поля, необходимого для указания одного адреса. • В то же время не все команды полностью используют адресные поля. Например, для команды записи числа по заданному адресу требуется только одно адресное поле. • Неоправданное увеличение длины машинного слова для использования многоадресных команд приводит к снижению быстродействия ЭВМ, т. к. необходимо обрабатывать поля большей длины.
Как же работает ЭВМ?
Общий принцип работы ЭВМ 1 Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. 1. Из процессора на шину адреса выдается адрес очередной команды. 2. Считанная по этому адресу команда (например, из ПЗУ) поступает по шине данных (внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. 3. После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда 4. Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда). И т. д.
Очередность выполнения команд • Порядок выбора адресов из памяти определяет программа, которая может располагаться в ПЗУ, но чаще выполняемая в данный момент времени программа находится в ОЗУ. • В линейных программах команды последовательно выбираются из очередных ячеек памяти. • В разветвляющихся программах естественный порядок выбора адресов ячеек памяти может нарушаться. В результате может происходить переход к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОЗУ. При одном наборе исходных данных переход будет происходить, а при другом наборе данных перехода не будет. По этой причине такие команды называют командами условной передачи управления.
Прерывания • Выполнение основной программы иногда может приостанавливаться с целью выполнения какого-то другого срочного задания, например, для передачи данных на принтер. Такой режим работы, когда временно приостанавливается выполнение основной программы и происходит обслуживание запроса, называется прерыванием. • По завершении обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной основной программы. • Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, требования внешним устройством выполнения операции ввода информации и т. д. Например, при нажатии клавиши на клавиатуре возникает прерывание, обработка которого сводится к записи кода нажатой клавиши в буфер клавиатуры. Обслуживание прерываний осуществляется с помощью специальных программ обработки прерываний.
Скачать презентацию Принципы работы ЭВМ 1 Организация данных в ЭВМ
Принципы работы ЭВМ.pptx