Структура ЭВМ. 
Системы счисления, применяемые в ЭВМ. 
Уровни программирования

Сегодня человек передал такие функции, как восприятие окружающей обстановки, переработка большого объема информации, способность сопоставлять и оценивать различные ситуации, делать логические выводы. По принципу работы все вычислительные машины можно разделить на два основных класса: цифровые (машины дискретного действия) и аналоговые (машины непрерывного действия).

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) — это машины, оперирующие с цифрами. Они универсальны в полном смысле слова, потому, что любая математическая задача, в какой бы форме она ни была представлена, в конечном счете, сводится к выполнению простейших арифметических операций.

Аналоговые вычислительные машины работают по другому принципу, который не требует замены сложных математических операций элементарными цифровыми. В них математические величины представлены не числами, а конкретными физическими данными, например длинной, напряжением, силой тока, углом поворота и т. д. с помощью некоторой исходной величины (аналога). Именно поэтому их называют аналоговыми. Многие непрерывные физические процессы отображаются одинаковыми уравнениями. Поэтому, создав машину, основанную на некотором непрерывном процессе, можно решать задачи, которые описываются эквивалентными уравнениями. Аналоговые машины относятся к классу так называемых моделирующих машин. Главный их недостаток в том, что они не являются универсальными. Для каждого класса математических задач требуется специальная машина.

Процесс автоматической обработки информации состоит из следующих операций: ввода начальной информации, хранения и обработки информации, управление процессом обработки, вывод результата. Чтобы выполнить их, ЭВМ должна иметь в своем составе определенный набор устройств: арифметико-логическое устройство, запоминающее устройство, устройство управления и устройство ввода-вывода информации. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для обработки данных. Оно выполняет над числами и командами необходимые арифметические и логические операции. Получив исходные данные и выполнив нужные операции, АЛУ выдает промежуточный или конечный результат, который отправляется в запоминающее устройство.

Запоминающее устройство (ЗУ), или память ЭВМ, предназначено для записи, хранения и выдачи информации. В оперативной памяти (ОЗУ) хранятся рабочие и обслуживающие программы, исходные данные, а также промежуточные и конечные результаты, т. е. та информация, которая используется для решения конкретной задачи. К внешним запоминающим устройствам (ВЗУ) относятся такие, как НГМД и т. д. Разделение памяти на внешнюю и оперативную связано со скоростью обработки информации: ОЗУ — быстрая, ВЗУ с замедленным доступом.

Устройство управления обеспечивает автоматическое действие всех устройств ЭВМ. Оно вызывает из памяти очередную команду программы и все участвующие в операции числа, отправляет их в АЛУ, а полученный результат затем отправляет в память.

Операции преобразования информации с кода внешнего носителя на язык машины и обратно выполняет устройство ввода-вывода.

Работа ЭВМ заключается в последовательном выполнении операций, предусмотренных программой. Вся необходимая информация (программа вычислений, все необходимые данные и т. д.) записываются в запоминающем устройстве, состоящем из отдельных пронумерованных ячеек, в каждую из которых может быть помещено одно число или команда. Из запоминающего устройства очередная команда, в которой указано, какую операцию надо выполнить (код операции) и где в памяти находятся числа (их адреса), над которыми необходимо произвести данную операцию. Эта команда поступает в устройство управления, которое посылает в АЛУ приказ о выполнении данной операции, а в запоминающее устройство — запрос о выдаче чисел, находящихся по указанным адресам. Запоминающее устройство выдает в АЛУ эти исходные числа, после чего АЛУ выполняет требуемую операцию и выдает сигнал в устройство управления для перехода к следующей команде. Именно программа настраивает ЭВМ на решение той или иной задачи. Поэтому программирование можно рассматривать как процесс перевода математической задачи с языка формул на язык машины. Для того, чтобы уметь программировать, необходимо знать об устройстве основных компонентов компьютера, принципах их работы и методикой их программирования. Именно об этом и пойдет речь в дальнейшем. Прежде всего поговорим о том,.

Что внутри ЭВМ?

Вычислительная часть машины состоит из блоков, помещенных в один корпус. Центральным является микропроцессор — устройство, непосредственно осуществляющее преобразование информации. Все блоки соединены между собой с помощью шины. Блок микропроцессора состоит из самого микропроцессора, генератора тактовых сигналов, синхронизирующих работу микропроцессора, памяти и блока ввода-вывода. На микропроцессор возложены две основные функции: обработка данных и управление машиной. Для выполнения этих важных функций в структурной схеме микропроцессора три основных устройства: АЛУ, УУ и набор регистров.

АЛУ выполняет первую функцию микропроцессора — обработку данных, их вычисление и перемещение. Через два входа в АЛУ поступают данные, результат передается дальше через единственный выход. Практически все операции над двоичными числами сводятся к двум: сложение и сдвиг.

цифровые аналоговые электронные вычислительные Рис 1. Схема центрального микропроцессора

Вторая функция микропроцессора — управление машиной, или выполнение программы, обеспечивается УУ с помощью дешифратора команд — кодов операторов программы, преобразованных в сигналы, поступающие на все узлы микропроцессора. Кроме команд программы на УУ поступают от генератора тактовые импульсы, синхронизирующие работу микропроцессора. Эта синхронизация заключается в выполнении микропроцессором двух непрерывно повторяющихся шагов: считывание очередной команды (цикл выборки) и выполнения операций, предписываемой этой командой (цикл выполнения). Совокупность этих двух шагов образует машинный цикл. УУ выполняет и некоторые другие функции, например, управляет внутренней шиной, т. е. определяет, какое устройство ЭВМ в данный момент времени может ею пользоваться, так как к ней подключено множество устройств и необходим определенный порядок приема и передачи данных.

Регистры — это устройства, представляющие собой отдельные ячейки внутренней быстродействующей памяти микропроцессора. Они используются для временного хранения информации при прохождении данных через блоки микропроцессора. Количество и назначение регистров реальных микропроцессоров различно, но 8 типов регистров встречаются практически всегда. Это регистры состояния, команд, адреса, счетчика команд, указателя стека, буферные регистры, аккумулятор и регистры общего назначения. Основной особенностью регистров является то, что большинство из них может управляться программой, в отличии от других устройств микропроцессора, например АЛУ, УУ, шины, которые недоступны программисту.

Intel 80×86 — имеет 14 16 битовых регистров для хранения данных.

Первая группа — универсальные регистры: AX, BX, CX, DX. К данным регистрам можно обращаться как к 16 разрядным, так и к их 8 разрядным половинкам. Например: AX, AH, AL.

АХ — аккумулятор, ВХ — база, СХ — счетчик,.

DX — данные.

Вторая группа помогает ориентироваться в памяти и называется сегментные регистры. Каждый из них участвует в вычислении входа в определенный раздел памяти (сегмент), объемом 64 Кбайта.

CS — регистр сегмента кода, указывает место расположения программы в памяти.

DS — регистр сегмента данных, указывает, где в памяти хранятся данные, используемые в программе.

ES — регистр дополнительного сегмента.

SS — регистр сегмента стека, указывает на место расположения компьютерного стека.

5 сегментов для доступа к отдельным байтам памяти:

IP — Указатель команды, так же называется счетчиком команд. Указывает процессору на адрес выполняемой команды.

SP — Указатель стека.

BP — Указатель базы, используется для указания места в стеке.

SI и DI — Индекс источника и приемника, помогает программам перемещать большое количество данных с одного места на другое.

Флаговый регистр содержит условные флаги, которые говорят нашим программам, на каком этапе работы находится компьютер: готовы ли результаты арифметических операций, нужны ли прерывания и т. д.

Flags

Некоторые флаги называются флагами условий, — они автоматически меняются при выполнении команд и фиксируют те или иные свойства их результата (например, равен ли он нулю). Проверка этих флагов позволяет проанализировать результат команды.

Другие флаги называются флагами состояний. Сами по себе они не меняются и менять их должна программа. Состояние этих флагов оказывает влияние на дальнейшее поведение процессора.

Существенными являются 9 флагов.

Флаги условий.

CF (carry flag) — флаг переноса. Наиболее полезен в арифметических операциях над числами без знака. Если сумма чисел не укладывается в размер ячейки, флаг принимает значение 1.

OF (overflow flag) — флаг переполнения. Например, когда при арифметических операциях произошло превышение допустимой величины (переполнение мантиссы).

ZF (zero flag) — Флаг нуля. Устанавливается в 1, если результат выполнения операции оказался нулевым.

SF (Sign flag) — Флаг знака. Устанавливается в 1, если результат выполнения операции получился отрицательным.

PF (Parity flag) — Флаг четности. Равен 1, если в 8 младших битах результат очередной команды содержит четное количество двоичных единиц.

AF (auxiliary carry flag) — Флаг дополнительного переноса.

Флаги состояний.

DF (direction flag) — Флаг направления. Устанавливается направление просмотра строк в строковых командах. При 0 — строка просматривается вперед, от начала к концу. При 1 — в обратном направлении.

IF (interrupt flag) — Флаг прерываний. При 0 процессор перестает реагировать на прерывания. 1 — снимает блокировку.

TF (trap flag) — Флаг трассировки. При 1 после выполнения каждой команды процессор делает прерывание, чем можно воспользоваться при отладке программы.

Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ

Компьютер — это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство для накопления, обработки и передачи информации. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенном интервале времени. Архитектура современных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет пользователю самому создавать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией.

Магистраль (системная шина) — это набор электронных линий, связанных воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов в центральный процессор, системную память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по много разрядным шинам (многоканальные линии связи), соединяющим все модули, — шине данных, шине адреса, шине управления.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном уровне с помощью драйверов. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно на него отреагировать. За реакцию устройства процессор не отвечает. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемые.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора. Например процессоры Intel 80 486 имеют разрядность 32 при тактовойчастоте от 33 до 40 Мгц.

При рассмотрении принципов работы ЭВМ мы будем опираться на базовую модель компьютера фирмы IBM с процессором Intel 80×86. Эта модель является базовой моделью для всех компьютеров фирмы IBM. Все последующие модели этой фирмы использовали основную архитектуру и набор команд этого процессора, добавляя новые команды. Основные понятия и команды этого процессора считаются базовыми для семейства IBM.