Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
ВВЕДЕНИЕ. Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому
|
|
ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРЫ И ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому
политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
230100 Информатика и вычислительная техника
Самара
УДК 681.324; 004.2 (075)
ББК 32.973.26
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационных систем и технологий ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева
(национальный исследовательский университет)» (СГАУ)
С.А. Прохоров
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем связи ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики» (ПГУТИ)
Н.Н. Васин
Засов В.А. Основы архитектуры и организации ЭВМ: Учебное пособие. - Самара: СамГУПС, 2013.- 230 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного университета путей сообщения.
В учебном пособии рассматриваются архитектура классической ЭВМ, структурная организация базового процессора и его системы команд, классификация ЭВМ и основные направления развития вычислительных систем, организация вычислений в современных процессорах, принципы организации памяти и интерфейсов вычислительных машин, программируемые периферийные устройства для сопряжения с внешними устройствами ЭВМ, особенности вычислительных устройств в компьютерных системах управления, а также организация мультипроцессорных систем.
Приводятся различные типовые программы на языке ассемблере, описывающие взаимодействие блоков вычислительных машин и организацию ввода-вывода информации.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 230100.62 «Информатика и вычислительная техника» для изучения дисциплины «ЭВМ и периферийные устройства».
УДК 681.324; 004.2 (075)
ББК 32.973.26
© СамГУПС, 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ................................................................................……...7 | |
| 1.ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ ЭВМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ……………………………………………………………….....9 | |
| 1.1.Концепция ЭВМ Дж.фон-Неймана и понятие вычислительной системы……………………………………………....9 | |
| 1.2.Определение микропроцессора и микропроцессорной системы………………………………………….11 | |
| 1.3.Понятие архитектуры вычислительной машины………………...13 | |
| 1.4.Структура классической вычислительной машины……………...17 | |
| 1.5.Командный цикл и его фазы……………………………………….19 | |
| 2.СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОРА И ЕГО СИСТЕМЫ КОМАНД……………………………………….22 | |
| 2.1.Функции устройства управления процессора…………………….22 | |
| 2.2.Устройство управления с аппаратной логикой……………… …..25 | |
| 2.3.Устройство управления с программируемой логикой…………...28 | |
| 2.4.Функции и структура арифметико-логического устройства……………………………………………………………....33 | |
| 2.5.Система команд процессора и способы адресации………………38 | |
| 3.ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ 8-РАЗРЯДНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ.......................................................................... 45 | |
| 3.1.Структурная схема 8-разрядного микропроцессора………….…..45 | |
| 3.2.Программная модель 8-разрядной микропроцессорной системы……………………………………………………………… …48 | |
| 3.3.Способы адресации данных в 8-разрядной микропроцессорной системе…………………………………………..49 | |
| 3.4.Программирование на ассемблере 8-разрядного микропроцессора……………………………………………………….51 | |
| 3.5.Инструментальные средства для разработки и отладки программ для 8-разрядного микропроцессора …………………...54 | |
| 3.6.Пример решения задачи……………………………………………57 | |
| 3.7.Функциональная схема ядра первого 8-разрядного микрокомпьютера………………………………………60 | |
| 4.ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ 16-РАЗРЯДНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ……………………………………………62 | |
| 4.1.Структурная схема микропроцессоров семейства i8086/8088…………………………………………………...62 | |
| 4.2.Функциональная схема центрального процессора на базе микропроцессора i8086/8088………………………………….68 | |
| 4.3.Конвейерный метод выполнения команд вычислительной машины и направления его развития……………...73 | |
| 4.4.Сегментная организация памяти и ее эволюция…………………77 | |
| 4.5.Адресное пространство ввода – вывода…………………………..87 | |
| 4.6.Программная модель микропроцессоров i8086/8088 и способы адресации………………………………………87 4.7.Описание системы команд 16 – разрядного микропроцессора………………………………………………………..91 | |
| 4.8.Основные элементы программ на языке Турбо Ассемблер………………………………………………………..92 | |
| 5.СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ.................................98 | |
| 5.1.Структура современного процессора Intel………………………..98 | |
| 5.2.Структура современного процессора AMD………………………104 | |
| 5.3.Гиперпотоковая технология организация вычислений………………………………………………………...…....111 | |
| 5.4.Эффективность многоядерной архитектуры микропроцессоров……………………………………………………..115 | |
| 5.5.Регистровые структуры современных 32-разрядных процессоров…………………………………………...………………..117 | |
| 5.6. Регистровые структуры 64-разрядных процессоров…………………………………………………….............122 | |
| 5.7.Обобщенный формат команд и типы данных 32-разрядных микропроцессоров……………………………………..122 | |
| 6.ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ……………………………………………………………127 | |
| 6.1.Назначение, основные параметры и классификация видов памяти……………………………………………………………127 | |
| 6.2.Иерархическая структура памяти вычислительных машин………………………………………………..135 | |
| 6.3.Оперативные запоминающие устройства………………………... 137 | |
| 6.4.Постоянные запоминающие устройства………………………….142 | |
| 7.ИНТЕРФЕЙСЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН……………149 | |
| 7.1.Назначение и функции интерфейсов……………………………...149 | |
| 7.2.Принципы организации и классификация интерфейсов………...152 | |
| 7.3.Система интерфейсов компьютера………………………………..160 | |
| 8.СПОСОБЫ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ МЕЖДУ УСТРОЙСТВАМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ………...169 | |
| 8.1.Программно – управляемый обмен и прямой доступ памяти…………………………………………………………..169 | |
| 8.2.Организация прерываний в вычислительной машине…………...174 | |
| 8.3.Циклы шины………………………………………………………...183 | |
| 9.ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ПЕРИФЕРИЙНЫЙ АДАПТЕР……………………………………………………………...185 | |
| 9.1.Назначение, структурная схема и режимы работы программируемого периферийного адаптера………………………...185 | |
| 9.2.Управление работой программируемого периферийного адаптера……………………………………………….186 | |
| 9.3.Примеры программирования периферийного адаптера…………188 | |
| 10.ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ИНТЕРВАЛЬНЫЙ ТАЙМЕР. ОРГАНИЗАЦИЯ СЧЕТА ВРЕМЕНИ И СОБЫТИЙ……………..191 | |
| 10.1.Назначение, структурная схема и программирование таймера…………………………………………………………………..191 | |
| 10.2.Режимы работы таймера…………………………………………. 193 | |
| 10.3.Примеры программирования таймера……………………………196 | |
| 10.4.Организация счета времени и событий в в вычислительных машинах…………………………………………… 197 | |
| 11.ПРОГРАММИРУЕМЫЙ СВЯЗНОЙ АДАПТЕР. ОРГАНИЗАЦИЯ СОПРЯЖЕНИЯ С КАНАЛАМИ СВЯЗИ…………………………………………………………………...200 | |
| 11.1.Назначение и структурная схема программируемого связного адаптера……………………………………………………..…200 | |
| 11.2.Режимы работы связного адаптера………………………….……202 | |
| 11.3.Управление работой и программирование связного адаптера……………………………………………………......205 | |
| 11.4.Особенности программирования асинхронных адаптеров коммуникационных портов компьютеров………………....213 | |
| 11.5.Организация обмена между компьютерами по интерфейсу RS232C………………………………………………....217 | |
| 12. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ…………………………………………..228 | |
| 12.1. Назначение микроконтроллеров………………………………....228 | |
| 12.2.Структурная схема микроконтроллера…………………………...229 | |
| 12.3. Организация памяти в микроконтроллерах……………………...230 | |
| 12.4.Система команд микроконтроллера…………………………..…..237 | |
| 12.5. Периферийные устройства микроконтроллеров: порты ввода-вывода…………………………………………………..…238 | |
| 12.6.Инструментальные средства разработки и отладки систем на базе микроконтроллеров……………………………………241 | |
| 13.АРХИТЕКТУРА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ…………………………………..244 | |
| 13.1.Параллельные вычисления – основное направление развития вычислительных систем…………………………………….244 | |
| 13.2. Классификация параллельных вычислительных систем…………………………………………………………………...246 | |
| 13.3.Мультипроцессорные и мультикомпьютерные системы…………………………………………………………… …....249 | |
| 13.4.Симметричные мультипроцессорные системы………………… 252 | |
| 13.5. Симметричные мультипроцессорные системы с общей шиной……………………………………………….255 | |
| Библиографический список………………………………………… 262 | |
| Приложение 1.Список основных команд микропроцессора i8080………………………………………………...264 | |
| Приложение 2.Список основных команд микропроцессоров i8086/8088 и основные директивы Турбо Ассемблера………………………………………... 267 | |
«Единственное, что ограничивает применение
микропроцессоров - это воображение инженеров,
занимающихся разработкой и модернизацией
изделий для различных областей человеческой
деятельности»
Эндрю Гроув – один из основателей фирмы Intel
ВВЕДЕНИЕ
В конце 60-х годов прошедшего века возникло противоречие между потребностью широкого использования интегральной схемотехники и относительно высокой стоимостью интегральных схем. Действительно, с одной стороны, такие замечательные характеристики интегральных схем, как надежность, технологичность, быстродействие создавали весомые предпосылки для их широкого применения. С другой стороны, специализация интегральных схем и, как следствие, многочисленность выпускаемых для различных приложений комплектов и серий, не способствовала снижению цены на эти изделия, усложняла технологию проектирования, что сдерживало широкое применение интегральных схем в устройствах обработки информации.
К этому времени ЭВМ уже образовали достаточно обширный сегмент систем обработки информации, в основе которых лежит принцип программной обработки /1/. Этот принцип явился альтернативой распространенному принципу схемотехнической (аппаратной) обработки, который основан на использовании специализированных интегральных схем.
Выгодно отличаясь гибкостью, универсальностью и широкими функциональными возможностями, принцип программной обработки практически не использовался в системах управления технологическими процессами и бортовых системах, так как ЭВМ 60-х годов имели большие вес и размеры, потребляли значительную мощность, а стоимость их была очень высокой.
Разработка в начале 70-х годов микропроцессоров позволила разрешить возникшие противоречия. Микропроцессоры, сочетая достоинства интегральной схемотехники и программной обработки, образовали совершенно новый класс цифровых устройств, которые стали универсальными базовыми элементами для производства информационных и управляющих систем различного применения – от офисного компьютера до встраиваемых в объект микроконтроллеров.
Вычислительные машины на базе микропроцессоров стали значительно дешевле, доступными каждому пользователю, проще в эксплуатации, что привело к резкому расширению области их применения. Появились различные классы вычислительных машин: для личного использования – персональные компьютеры; для решения задач управления – программируемые логические контроллеры и микроконтроллеры для встраиваемых и мобильных применений; специализированные процессоры для решения задач связи, навигации и т.п.
Каждый из перечисленных классов вычислительных машин имеет особенности структуры и алгоритмов работы, но фундаментальные принципы построения разных классов вычислительных машин, т.е. основы архитектуры и организации работы, у них подобны.
Помощь в изучении этих базовых основ в быстроменяющимся мире вычислительной техники – главная задача предлагаемого пособия.
|
|